電容傳感器讓便攜產(chǎn)品“一觸即發(fā)”的設(shè)計(jì)原理

電容傳感器滾輪在iPod等產(chǎn)品中獲得的成功，正在促使其他消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商考慮使用電容傳感器來(lái)改善產(chǎn)品的用戶界面，并使產(chǎn)品看起來(lái)更加美觀。事實(shí)上，電容觸摸傳感器接口的應(yīng)用并不僅限于MP3播放器，而是可以用于目前采用傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的任何產(chǎn)品之中，如新款手機(jī)的菜單控制按鈕。利用可靠性高、引人注目并具有成本效益的電容觸摸傳感器，可以輕松地改變這些高級(jí)功能菜單控制開(kāi)關(guān)的式樣。

電容觸摸傳感器接口通常由一個(gè)電容傳感器、一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)和一個(gè)主處理器組成(圖1)。傳感器利用標(biāo)準(zhǔn)兩層或四層PCB上的走線(trace)或柔性電路制造，因此不需要任何外部元件或材料。

圖1. 典型電容觸摸傳感器接口

可靠的傳感器必須不受外界環(huán)境變化的影響，能夠在任何工作條件下保持精確的靈敏度水平。溫度或濕度的變化會(huì)導(dǎo)致PCB材料的特性發(fā)生變化，因此，印刷電路電容傳感器的輸出電平將發(fā)生漂移。例如，當(dāng)用戶從開(kāi)啟空調(diào)的汽車到一個(gè)濕熱環(huán)境時(shí)，就可能出現(xiàn)上述情況。為了避免發(fā)生斷續(xù)接觸錯(cuò)誤，CDC必須包括實(shí)時(shí)的漂移補(bǔ)償功能(圖2)。

隨著環(huán)境條件的變化(例如，溫度或濕度上升)，傳感器的環(huán)境參數(shù)(在用戶沒(méi)有與傳感器接觸期間，由CDC進(jìn)行測(cè)量)會(huì)發(fā)生漂移。為了進(jìn)行補(bǔ)償，需要?jiǎng)討B(tài)改變高端和低端閾值電平，以確定有效的傳感器接觸。位置2、3、5、6 處的參考電平進(jìn)行重新調(diào)整，以保持最佳的閾值參考電平，從而自動(dòng)跟蹤和補(bǔ)償漂移誤差。

圖2. 兩個(gè)傳感器在環(huán)境條件改變時(shí)的特性，漂移補(bǔ)償功能已使能

PCB還可能受到寄生電容的影響，這種電容最大可達(dá)20 pF，它會(huì)在電容觸摸傳感器視為受到按壓時(shí)，使閾值發(fā)生偏移，從而改變其靈敏度。為了對(duì)寄生電容進(jìn)行補(bǔ)償，可以采用對(duì)DAC編程的方法，以抵消CDC的輸入。對(duì)于各PCB來(lái)說(shuō)，這種寄生電容是一致的，因此可以在制造PCB的時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，這樣就不需要外部RC調(diào)諧元件，從而使材料、裝配和測(cè)試相關(guān)的成本最低。單獨(dú)調(diào)整每個(gè)傳感器的偏移，使設(shè)計(jì)者可以充分利用轉(zhuǎn)換器的分辨率(圖3)。

圖3. 模擬前端，其中DAC幫助消除寄生電容的影響

傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)具有用戶熟悉的靈敏度和觸覺(jué)反饋，對(duì)于電容傳感器來(lái)說(shuō)，這些參數(shù)也必須加以考慮和優(yōu)化。不同的傳感器可能需要獨(dú)特的靈敏度，這取決于開(kāi)關(guān)功能或開(kāi)關(guān)在產(chǎn)品中的物理位置。而且，一套靈敏度設(shè)置不可能適合所有的用戶，因此應(yīng)該允許用戶設(shè)置不同的靈敏度水平，若能通過(guò)靈敏度控制菜單進(jìn)行選擇將是最理想的。例如，AD7142 支持這些靈敏性要求，允許一個(gè)單獨(dú)的16位靈敏度控制寄存器為每個(gè)傳感器編程。這些寄存器也可以嵌入到主機(jī)固件中，并在菜單顯示中提供，允許用戶選擇不同的靈敏度水平，以滿足其特殊需求。

在用戶沒(méi)有與傳感器接觸期間，如果對(duì)每個(gè)傳感器輸入取樣，則會(huì)白白浪費(fèi)電池電量。為使電池效率最大化，CDC應(yīng)能夠檢測(cè)到用戶停止觸碰傳感器，并自動(dòng)切換到低功耗模式。當(dāng)傳感器被再度觸碰時(shí)，IC將自動(dòng)重新進(jìn)入正常工作模式。