用于可靠的電容傳感器接口的模擬前端IC測(cè)量方法

隨著傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)的使用，用戶使用電容傳感器接口的經(jīng)驗(yàn)直接與各種工作條件下(可靠性)接觸傳感器的響應(yīng)(靈敏度)方式相關(guān)。本文將介紹一些當(dāng)今為開發(fā)高質(zhì)量、可靠電容傳感器接口所采用的通用電容傳感器模擬前端測(cè)量方法。

靈敏度

電容傳感器的靈敏度由其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所決定，這種方法用來(lái)測(cè)量電容并且能夠精確地比較電容相對(duì)于預(yù)置接觸門限電平的變化。采用傳統(tǒng)印制電路板(PCB)方法制造的電容傳感器通常具有1 pF～20 pF的測(cè)量范圍，從而使其很難準(zhǔn)確地檢測(cè)微小變化。雖然有幾種測(cè)量這些微小值的方法，但采用16 bit電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)的高精密測(cè)量方法仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

基于傳統(tǒng)的低成本PCB設(shè)計(jì)的電容傳感器

電容傳感器可以在標(biāo)準(zhǔn)PCB或撓性PCB上采用相同的銅材料用作信號(hào)布線。在這兩種情況下，傳感器的最大靈敏度由傳感器的物理尺寸和電介質(zhì)常數(shù)與覆蓋材料厚度的組合所決定。例如，帶有5 mm塑料覆蓋材料的3 mm厚傳感器將不如帶有2 mm塑料覆蓋材料的6 mm厚傳感器靈敏。

我們的目標(biāo)是開發(fā)具有正確響應(yīng)并且滿足人機(jī)工程要求的電容傳感器。在某些應(yīng)用中傳感器可能一定很小，從而在用戶接觸面上會(huì)產(chǎn)生微小的電容變化。

圖1和圖2示出了在PCB上設(shè)計(jì)電容傳感器的兩種常用方法。它們示出在用戶觸摸期間施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。雖然傳感器的電容根據(jù)用戶接觸變化方式隨這兩種方法而不同，但是傳感器的性能在這兩種情況下可以比較。

激勵(lì)電容傳感器

圖1中所示的例子將連續(xù)的250 kHz方波激勵(lì)信號(hào)施加在傳感器的SRC端以在電容傳感器中建立電場(chǎng)。激勵(lì)信號(hào)在傳感器中建立電場(chǎng)后，該電場(chǎng)會(huì)部分地伸出塑料覆蓋材料。其CIN端連接到CDC。

圖1：AD7142電容傳感器的設(shè)計(jì)

圖2所示的另外一種電容傳感器設(shè)計(jì)案例是將一個(gè)恒流源施加到傳感器的A端，B端接地。當(dāng)用戶觸摸傳感器時(shí)會(huì)增加額外的手指電容，從而增加了充電周期內(nèi)RC的上升時(shí)間。

圖2：另一種電容傳感器設(shè)計(jì)

測(cè)量電容傳感器并且檢測(cè)傳感器接觸面積

圖3示出一種測(cè)量電容的傳統(tǒng)方法。恒流源不斷地為電容傳感器充電以達(dá)到比較器的參考門限電平。當(dāng)每次電容傳感器達(dá)到比較器的參考門限值時(shí)，比較器將輸出高電平脈沖。然后閉合開關(guān)、電容器放電并且復(fù)位計(jì)數(shù)器。

圖3：使用比較器和555定時(shí)器或計(jì)數(shù)器測(cè)量電容的傳統(tǒng)方法

當(dāng)用戶接觸傳感器時(shí)，計(jì)數(shù)器開始對(duì)電容傳感器充電到比較器參考電平所花的時(shí)鐘周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后將這個(gè)值與預(yù)置門限檢測(cè)設(shè)置值比較。例如，計(jì)數(shù)為50表明傳感器有接觸，而小于50表明沒(méi)有接觸。在本例中，當(dāng)用戶接觸傳感器時(shí)，其準(zhǔn)確度和精密度與參考時(shí)鐘的頻率和驅(qū)動(dòng)各種電容傳感器的電流源的可重復(fù)性有關(guān)。

圖4：傳統(tǒng)的比較器和555定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的靈敏度門限電平

圖5所示是一種測(cè)量電容的更好的方法，它使用了高分辨率16 bit ADC和250 kHz的激勵(lì)源。激勵(lì)源不斷產(chǎn)生250 kHz的方波，從而在電容傳感器中建立起電場(chǎng)以及能夠穿透覆蓋材料的磁通量。無(wú)論用戶何時(shí)接觸傳感器，精密16 bit ADC都能以1fF測(cè)量分辨率檢測(cè)。其無(wú)需外部控制元件并且自動(dòng)校準(zhǔn)，所以可確保不會(huì)發(fā)生由于溫度或濕度變化引起的虛假觸摸。

圖5：AD7142模擬前端

一旦將電容傳感器的輸出數(shù)字化后，就可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的16 bit寄存器很容易設(shè)置每個(gè)傳感器的具體檢測(cè)門限電平。其門限電平可以設(shè)置大約在傳感器滿度(FS)輸出值的25%和95.32%之間。

圖6：設(shè)置AD7142的靈敏度門限電平

可靠的電容傳感器接觸口以模擬前端開始，該模擬前端必須能夠測(cè)量用戶接觸電容傳感器時(shí)引起的微小輸出變化。新的高集成度CDC允許電容傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師受益于集成的具有低功耗、高分辨率Σ-Δ ADC的高性能模擬前端的最近混合信號(hào)的技術(shù)進(jìn)步。