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用于可靠的电容传感器接口的模拟前端IC

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作者:Wayne Palmer


随着传统的机械开关的使用,用户使用电容传感器接口的经验直接与各种工作条件下(可靠性)接触传感器的响应(灵敏度)方式相关。本文将介绍一些当今为开发高质量、可靠电容传感器接口所采用的通用电容传感器模拟前端测量方法。

灵敏度
电容传感器的灵敏度由其结构设计所决定,这种方法用来测量电容并且能够精确地比较电容相对于预置接触门限电平的变化。采用传统印制电路板(PCB)方法制造的电容传感器通常具有1 pF~20 pF的测量范围,从而使其很难准确地检测微小变化。虽然有几种测量这些微小值的方法,但采用16 bit电容数字转换器(CDC)的高精密测量方法仍然具有明显的优势。

基于传统的低成本PCB设计的电容传感器
电容传感器可以在标准PCB或挠性PCB上采用相同的铜材料用作信号布线。在这两种情况下,传感器的最大灵敏度由传感器的物理尺寸和电介质常数与覆盖材料厚度的组合所决定。例如,带有5 mm塑料覆盖材料的3 mm厚传感器将不如带有2 mm塑料覆盖材料的6 mm厚传感器灵敏。

我们的目标是开发具有正确响应并且满足人机工程要求的电容传感器。在某些应用中传感器可能一定很小,从而在用户接触面上会产生微小的电容变化。

图1和图2示出了在PCB上设计电容传感器的两种常用方法。它们示出在用户触摸期间施加激励信号时传感器的响应特性。虽然传感器的电容根据用户接触变化方式随这两种方法而不同,但是传感器的性能在这两种情况下可以比较。

激励电容传感器
图1中所示的例子将连续的250 kHz方波激励信号施加在传感器的SRC端以在电容传感器中建立电场。激励信号在传感器中建立电场后,该电场会部分地伸出塑料覆盖材料。其CIN端连接到CDC。

图1:AD7142电容传感器的设计
图1:AD7142电容传感器的设计

图2所示的另外一种电容传感器设计案例是将一个恒流源施加到传感器的A端,B端接地。当用户触摸传感器时会增加额外的手指电容,从而增加了充电周期内RC的上升时间。

图2:另一种电容传感器设计
图2:另一种电容传感器设计

测量电容传感器并且检测传感器接触面积
图3示出一种测量电容的传统方法。恒流源不断地为电容传感器充电以达到比较器的参考门限电平。当每次电容传感器达到比较器的参考门限值时,比较器将输出高电平脉冲。然后闭合开关、电容器放电并且复位计数器。

图3:使用比较器和555定时器或计数器测量电容的传统方法
图3:使用比较器和555定时器或计数器测量电容的传统方法

当用户接触传感器时,计数器开始对电容传感器充电到比较器参考电平所花的时钟周期数进行计数。然后将这个值与预置门限检测设置值比较。例如,计数为50表明传感器有接触,而小于50表明没有接触。在本例中,当用户接触传感器时,其准确度和精密度与参考时钟的频率和驱动各种电容传感器的电流源的可重复性有关。

图4:传统的比较器和555定时器或计数器的灵敏度门限电平
图4:传统的比较器和555定时器或计数器的灵敏度门限电平

图5所示是一种测量电容的更好的方法,它使用了高分辨率16 bit ADC和250 kHz的激励源。激励源不断产生250 kHz的方波,从而在电容传感器中建立起电场以及能够穿透覆盖材料的磁通量。无论用户何时接触传感器,精密16 bit ADC都能以1fF测量分辨率检测。其无需外部控制元件并且自动校准,所以可确保不会发生由于温度或湿度变化引起的虚假触摸。

图5:AD7142模拟前端
图5:AD7142模拟前端

一旦将电容传感器的输出数字化后,就可以通过设置相应的16 bit寄存器很容易设置每个传感器的具体检测门限电平。其门限电平可以设置大约在传感器满度(FS)输出值的25%和95.32%之间。

图6:设置AD7142的灵敏度门限电平
图6:设置AD7142的灵敏度门限电平

可靠的电容传感器接触口以模拟前端开始,该模拟前端必须能够测量用户接触电容传感器时引起的微小输出变化。新的高集成度CDC允许电容传感器系统设计工程师受益于集成的具有低功耗、高分辨率Σ-Δ ADC的高性能模拟前端的最近混合信号的技术进步。

作者简介
Wayne Palmer是ADI公司传感器产品部的应用工程师,Wayne获得位于马萨诸塞州波士顿的东北大学电子工程学士学位。

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