如何從電容感應(yīng)應(yīng)用中消除接地偏移現(xiàn)象

當(dāng)使用基于諧振器的電容感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)時(shí)，有許多關(guān)于靈敏度、響應(yīng)能力和功率的系統(tǒng)要求。而測(cè)量的結(jié)果常常會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，造成不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。這種情況的發(fā)生通常都是由于寄生電容的干擾導(dǎo)致的。寄生電容的產(chǎn)生也可能有多種來(lái)源。在汽車(chē)碰撞檢測(cè)、白色家電和個(gè)人電子產(chǎn)品等終端設(shè)備中，靠近設(shè)備的接地物體會(huì)影響電容測(cè)量。在這篇文章中，我將說(shuō)明這種現(xiàn)象，稱(chēng)為接地偏移，在各種接地配置下。這種寄生電容的存在無(wú)疑會(huì)使系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度下降。因此，必須消除寄生電容，或者說(shuō)緩解寄生電容，使它的影響降低到最小。

分析模型

圖 1 通過(guò)基于諧振器的電容式傳感解決方案 及其寄生電容的簡(jiǎn)單電路圖對(duì)接地偏移現(xiàn)象進(jìn)行建模， 其中 C s 是電路板寄生電容和傳感器電容的組合，C g 是本地和大地之間的寄生電容地，C P0 和 C Pg 是大型局部接地層（如果在附近）的寄生電容。

圖 1：基于諧振器的電容式感應(yīng)器件浮動(dòng)且附近有大型局部接地層的簡(jiǎn)化電路模型

振蕩器信號(hào)在 INA 和 INB 之間交替，因此每半個(gè)振蕩周期的電路配置都不同。由于在半正弦波激勵(lì)的任一相中沒(méi)有其他支路將電路與大地接地，因此C s 和(C g  + C Pg )實(shí)際上是串聯(lián)的。該級(jí)數(shù)關(guān)系由 C x給出，由公式 1 表征：

因此，有效振蕩頻率是兩個(gè)相位的平均值，由公式 2 給出：

每當(dāng) (C g  + C Pg ) 變化時(shí)，β 和 C x 也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致頻率偏移并產(chǎn)生接地偏移現(xiàn)象。

系統(tǒng)接地配置使用大地或本地接地。例如，如果電容感應(yīng)設(shè)備連接到由電池供電的筆記本電腦，并且與外部世界沒(méi)有其他連接，您可能會(huì)注意到性能差異，而不是筆記本電腦 和 電容感應(yīng)設(shè)備都以接地為參考。在數(shù)學(xué)模型方面，如果筆記本電腦處于浮動(dòng)狀態(tài)，C g 可以忽略不計(jì)，如果附近沒(méi)有大的局部接地層，則 C P0 和 C Pg 可以忽略不計(jì)。

定性評(píng)估

為了更好地理解這一點(diǎn)，我使用筆記本電腦和 TI 的 FDC2214 評(píng)估模塊 (EVM ) 進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)傳感器被定制的邊框形傳感器取代。傳感器面積為 55.8cm 2  ，我用一只手靠近傳感器 10cm 范圍內(nèi)測(cè)量了接近檢測(cè)。圖 2 中的白色 USB 電纜將 FDC2214 EVM 直接連接到筆記本電腦。

圖 2 顯示了長(zhǎng)黑色電纜如何也可以連接到大地或斷開(kāi)連接，從而使系統(tǒng)處于浮動(dòng)狀態(tài)。一根短黑線焊接到接地層的銅側(cè)，使其可以與 FDC2214 EVM 接地連接或斷開(kāi)（圖 3）。

圖 2：該設(shè)置包括筆記本電腦、USB 電纜、定制邊框傳感器、FDC2214 EVM 和大型接地層

圖 3：接地層背面有銅（見(jiàn)此處），頂部有 FR-4（見(jiàn)圖 2）

結(jié)果

當(dāng) EVM 連接到電池供電的筆記本電腦時(shí)，系統(tǒng)接地以相對(duì)于接地的未知值浮動(dòng)。當(dāng)人手接觸筆記本電腦時(shí)，交流接地的值可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致傳感器電容發(fā)生明顯變化；見(jiàn)圖 4。

圖 4：系統(tǒng)的電容測(cè)量，筆記本電腦懸空且沒(méi)有大的局部接地

連接到附近大型局部接地層的 EVM 顯著減少了接地偏移現(xiàn)象，因?yàn)榻拥貙釉黾恿?(C g  + C Pg ) 的值，允許 β 接近 1 并有效地屏蔽傳感器免受任何外部接地耦合.

正如圖 1 所示的電路模型所預(yù)期的那樣，圖 5 顯示觸摸筆記本電腦時(shí)沒(méi)有明顯的響應(yīng)。但是，需要注意的一點(diǎn)是，接近檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍已從 0.15pF 降低到 0.04pF。由于引入了較大的接地寄生電容 C P0  （等式 2），因此附近較大的接地會(huì)稀釋信號(hào)并降低靈敏度。即使靈敏度降低，信號(hào)質(zhì)量仍然不錯(cuò)——大約 11dB。

圖 5：系統(tǒng)的電容測(cè)量，筆記本電腦懸空，但也有一個(gè)大的本地接地連接到 EVM

概括

接地偏移問(wèn)題在于傳感器電容與本地和大地之間的寄生電容串聯(lián)。緩解此問(wèn)題的方法之一是將電容感應(yīng)設(shè)備連接到大型本地接地層。這有效地允許屏蔽外部接地耦合噪聲。