基于AD7147和AD7148的醫(yī)療保健設(shè)計方案【電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)】

簡介

近年來，電子技術(shù)的進(jìn)步為醫(yī)療保健行業(yè)的諸多創(chuàng)新和改進(jìn)創(chuàng)造了條件。醫(yī)療保健設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)包括提出新的診斷和治療方法，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，開發(fā)家庭護(hù)理設(shè)備，提高質(zhì)量和可靠性，以及增強(qiáng)靈活性和易用性。

40余年以來，ADI公司豐富而全面的線性、混合信號、MEMS和數(shù)字信號處理技術(shù)給儀器儀表、成像和病人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計帶來了重大的變革。本文將集中探討電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)技術(shù)，該技術(shù)使得在醫(yī)療保健應(yīng)用中使用高性能電容檢測成為可能。

電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶輸入法
電容式觸摸傳感器以類似圖1所示的按鈕、滑動條、滾輪或其他方式提供一種用戶界面。

圖1.觸摸傳感器布局示例

各個藍(lán)色幾何區(qū)域表示印刷電路板(PCB)上的一個傳感器電極，構(gòu)成虛擬電容器的一個極板。另一極板則由用戶的手指構(gòu)成，實際上，該極板相對于傳感器輸入是接地的。 AD7147/AD7148 CapTouch控制器系列專為激勵電容式觸摸傳感器和與之接口而設(shè)計，能夠測量來自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個激勵信號，使電容器極板充電。當(dāng)一個物體（如用戶手指）靠近傳感器時，用戶充當(dāng)電容器的令一個極板，將形成虛擬電容器（如圖2）。利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)可以測量該電容。

圖2.電容檢測示意圖和典型響應(yīng)

該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化，并借助此信息來記錄傳感器激活事件。AD7147和AD7148分別有13個和8個電容輸入，并均配有片內(nèi)校準(zhǔn)邏輯，用以對環(huán)境變化引起的測量變化進(jìn)行補償，從而確保不會因溫度變化或濕度變化而在外部傳感器上產(chǎn)生誤觸發(fā)事件。

AD7147和AD7148提供多種工作模式、用戶可編程的轉(zhuǎn)換序列和極其靈活的控制功能。這些特性使其成為高分辨率觸摸傳感器功能的理想選擇，比如滑動條或滾輪，而且其對軟件的要求很低。另外，無需使用任何軟件，即可用片內(nèi)數(shù)字邏輯完整實現(xiàn)按鈕傳感器應(yīng)用。

電容檢測和測量的基本原理
電容 是指電容器在電場中存儲能量的能力。在其標(biāo)稱形態(tài)中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲的電荷Q，計算公式為 。

對于平行板電容器，電容檢測和測量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示。

圖3.測量平行板電容器的電容

平行板電容器由兩個導(dǎo)體（金屬板）構(gòu)成，其特性為

導(dǎo)體面積， a &TImes; b

兩個導(dǎo)體極板之間的 距離d

兩個導(dǎo)體之間的電介質(zhì)，用介電常數(shù)er表示r

根據(jù)這種幾何結(jié)構(gòu)，電容計算公式如下

其中，ε0為自由空間的介電常數(shù)

其中，ε0為自由空間的介電常數(shù)。

圖4.傳感器電氣配置

由于傳感器電容由a、b、d和er決定，因此，通過改變這些參數(shù)的值，或者觀察其值的變化，即可將CDC技術(shù)用于直接測量電容值以及多種其他應(yīng)用之中，具體視傳感器類型而定。例如，如果a、b和εr是恒定的，CDC輸入與兩個導(dǎo)體之間的距離成反比。

應(yīng)用
AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適用于涉及各類采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類型的廣泛應(yīng)用。電容檢測技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍僅局限于用戶的創(chuàng)造力，我們下面就介紹一些其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的可能的應(yīng)用方法。