用于可靠的電容傳感器接口的模擬前端IC測量方法

隨著傳統(tǒng)的機械開關(guān)的使用，用戶使用電容傳感器接口的經(jīng)驗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量方法。

靈敏度

電容傳感器的靈敏度由其結(jié)構(gòu)設(shè)計所決定，這種方法用來測量電容并且能夠精確地比較電容相對于預(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的測量范圍，從而使其很難準(zhǔn)確地檢測微小變化。雖然有幾種測量這些微小值的方法，但采用16 bit電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)的高精密測量方法仍然具有明顯的優(yōu)勢。

基于傳統(tǒng)的低成本PCB設(shè)計的電容傳感器

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產(chǎn)生微小的電容變化。

圖1和圖2示出了在PCB上設(shè)計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信號時傳感器的響應(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。

激勵電容傳感器

圖1中所示的例子將連續(xù)的250 kHz方波激勵信號施加在傳感器的SRC端以在電容傳感器中建立電場。激勵信號在傳感器中建立電場后，該電場會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

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

圖2：另一種電容傳感器設(shè)計

測量電容傳感器并且檢測傳感器接觸面積

圖3示出一種測量電容的傳統(tǒng)方法。恒流源不斷地為電容傳感器充電以達到比較器的參考門限電平。當(dāng)每次電容傳感器達到比較器的參考門限值時，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)位計數(shù)器。

圖3：使用比較器和555定時器或計數(shù)器測量電容的傳統(tǒng)方法

當(dāng)用戶接觸傳感器時，計數(shù)器開始對電容傳感器充電到比較器參考電平所花的時鐘周期數(shù)進行計數(shù)。然后將這個值與預(yù)置門限檢測設(shè)置值比較。例如，計數(shù)為50表明傳感器有接觸，而小于50表明沒有接觸。在本例中，當(dāng)用戶接觸傳感器時，其準(zhǔn)確度和精密度與參考時鐘的頻率和驅(qū)動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定時器或計數(shù)器的靈敏度門限電平

圖5所示是一種測量電容的更好的方法，它使用了高分辨率16 bit ADC和250 kHz的激勵源。激勵源不斷產(chǎn)生250 kHz的方波，從而在電容傳感器中建立起電場以及能夠穿透覆蓋材料的磁通量。無論用戶何時接觸傳感器，精密16 bit ADC都能以1fF測量分辨率檢測。其無需外部控制元件并且自動校準(zhǔn)，所以可確保不會發(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，就可以通過設(shè)置相應(yīng)的16 bit寄存器很容易設(shè)置每個傳感器的具體檢測門限電平。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量用戶接觸電容傳感器時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的技術(shù)進步。