用于電容傳感器接口的模擬前端元件

　　因?yàn)椴捎昧藗鹘y(tǒng)機(jī)械開關(guān)，用戶使用電容傳感器接口的方式直接與各種工作條件下（可靠性）接觸傳感器的響應(yīng)度（靈敏度）相關(guān)。本文將介紹一些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是由其物理結(jié)構(gòu)、測(cè)量電容的方法和精確比較電容相對(duì)于接觸門限電平變化的能力而決定的。采用傳統(tǒng)印制電路板（PCB）方法制造的 電容傳感器的測(cè)量范圍通常為1～20pF，因而很難準(zhǔn)確地檢測(cè)微小變化。雖然有幾種測(cè)量這些電容微小值的方法，但采用16位電容/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PCB設(shè)計(jì)的電容傳感器

　　制作在標(biāo)準(zhǔn)印制電路板或撓性印制電路上的電容傳感器都使用了相同的銅材料來(lái)做信號(hào)線。在這兩種情況下，傳感器的最大靈敏度都由傳感器的物理尺寸、電介質(zhì)常數(shù)以及覆膜厚度所決定。例如，帶有5mm塑料覆膜的3mm厚傳感器不如帶有2mm塑料覆膜的6mm厚傳感器靈敏。

　　我們的目標(biāo)是開發(fā)具有正確響應(yīng)并且滿足人體工學(xué)要求的電容傳感器。在某些應(yīng)用中，傳感器可能會(huì)很小，從而使用戶接觸面上產(chǎn)生微小的電容變化。

　　          圖1 AD7142電容傳感器的設(shè)計(jì)

　          　圖2 另一種電容傳感器設(shè)計(jì)

　　圖1和圖2顯示了在印制電路板上設(shè)計(jì)電容傳感器的兩種常用方法。圖中給出了在用戶接觸期間施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。雖然根據(jù)用戶接觸方式的變化，傳感器電容會(huì)有所不同，但是傳感器的性能在這兩種情況下相差不大。

　　激勵(lì)電容傳感器

　　如圖1所示，連續(xù)的250kHz方波激勵(lì)信號(hào)施加在傳感器的SRC端，以在電容傳感器內(nèi)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)部分地延伸出塑料覆膜，CIN端連接到CDC上。

　　圖2所示為另外一種電容傳感器設(shè)計(jì)案例，其將一個(gè)恒流源加到傳感器的A端，而將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。

　　測(cè)量電容傳感器并且檢測(cè)傳感器接觸面積

　　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

　　圖3顯示了一種測(cè)量電容的傳統(tǒng)方法。恒流源不斷地為電容傳感器充電，以使其達(dá)到比較器的參考門限電平。當(dāng)電容傳感器達(dá)到參考門限值時(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。靈敏度門限電平如圖4所示。

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

　　要確定何時(shí)用戶開始接觸傳感器，需要計(jì)數(shù)器對(duì)電容傳感器充電到比較器參考電平所經(jīng)歷的時(shí)鐘周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將這個(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則表明沒有接觸。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 流源的重復(fù)性有關(guān)。

　　                             圖5 AD7142模擬前端

　　圖5所示是一種較理想的測(cè)量電容方法，它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激勵(lì)源。激勵(lì)源不斷產(chǎn)生250kHz的方波，從而在電容傳感器 中產(chǎn)生電場(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位ADC都能以1fF測(cè)量分辨率來(lái)檢測(cè)。其無(wú)須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虛假接觸。

　　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位寄存器來(lái)設(shè)置每個(gè)傳感器的具體檢測(cè)門限電平。門限電平可以設(shè)置在傳感器滿偏（F.S.）輸出值的25％～95.32％之間。AD7142靈敏度門限電平的設(shè)置如圖6所示。

　　         圖6 設(shè)置AD7142的靈敏度門限電平

　　可靠的電容傳感器接口以模擬前端開始，該前端必須能夠測(cè)量用戶接觸電容傳感器時(shí)引起的微小輸出變化?，F(xiàn)在，新的高集成度CDC使設(shè)計(jì)工程師從集成有低功耗、高分辨率Σ-Δ ADC混合信號(hào)技術(shù)中受益。