電容式觸控感應(yīng)技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用

　　近來(lái)在便攜式媒體播放器、筆記型計(jì)算機(jī)、手機(jī)市場(chǎng)中陸續(xù)出現(xiàn)的各項(xiàng)令人感到興奮的電容式感測(cè)技術(shù)之應(yīng)用，讓人幾乎忘了這類(lèi)界面技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用于家電用品的設(shè)計(jì)中許多年了。感測(cè)算法與控制電路兩方面的重大進(jìn)展，讓這項(xiàng)技術(shù)適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)計(jì)人員看到了電容式感測(cè)技術(shù)的價(jià)值所在—不僅可取代機(jī)械式按鍵與膜片開(kāi)關(guān)；并可適用于各項(xiàng)新穎的應(yīng)用，如：觸控式屏幕與近距傳感器等。

　　感測(cè)電容

　　電容式傳感器是由導(dǎo)體片、接地面、與控制器所構(gòu)成。在多數(shù)的應(yīng)用中，導(dǎo)體片會(huì)用一片銅制電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容（CP）。當(dāng)其它如手指頭等導(dǎo)電物體接近傳感器時(shí)，隨著該物體的電容值（CF）增加，系統(tǒng)的電容值也隨之增加。（如圖1）

　　要偵測(cè)由CF造成電容值增加的方法有好幾個(gè)。場(chǎng)域效應(yīng)（Field Effect）量測(cè)方法中，在感測(cè)電容器與系統(tǒng)參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監(jiān)測(cè)電流在分壓器上的改變可以感測(cè)到手指觸碰時(shí)所產(chǎn)生的電容值變化。電荷轉(zhuǎn)移（Charge Transfer）則使用切換式電容器電路以及參考總線(xiàn)電容值，重復(fù)進(jìn)行從較小的傳感器電容器至較大總線(xiàn)電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移步驟。總線(xiàn)電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著比例關(guān)系，因此在固定次數(shù)的步驟后量測(cè)電壓值，或藉由計(jì)算達(dá)到某一電壓臨界值所需的步驟次數(shù)，來(lái)決定該電容值。另外，弛張振蕩器（relaxaTIon oscillator）則是用量測(cè)充電時(shí)間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的。較大的傳感器電容器需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間，這部份通常能運(yùn)用脈沖寬度調(diào)變器（PWM）與定時(shí)器來(lái)進(jìn)行量測(cè)。至于連續(xù)近似法（Successive ApproximaTIon）也是量測(cè)電容充電時(shí)間的方法，不同的是當(dāng)中的起始電壓是由連續(xù)近似法所決定的。

　　以PSoC 組件執(zhí)行的連續(xù)近似法（Cypress 申請(qǐng)之專(zhuān)利）采用一組電容對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換器以及單斜率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。其電容值量測(cè)方式是先藉由將電容值轉(zhuǎn)換至電壓值，接著將該電壓值儲(chǔ)存于電容器內(nèi)，然后再利用可調(diào)式電流源來(lái)量測(cè)所儲(chǔ)存之電壓值。其中電容值對(duì)電壓值轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)，此電路系統(tǒng)讓傳感器電容器可依其電容值反映出對(duì)應(yīng)的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內(nèi)部的振蕩器所產(chǎn)生。

　　傳感器電容器連接到模擬多任務(wù)總線(xiàn)上，并利用同樣連接總線(xiàn)的可編程電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（iDAC）進(jìn)行充電。每個(gè)總線(xiàn)上充電電量為q=CV。當(dāng)SW2 為開(kāi)路且SW1 為閉路時(shí)，跨CX兩端的電位勢(shì)為零，且會(huì)減低總線(xiàn)上的電量，所減低的值與傳感器的電容值成比例。這種充放電的動(dòng)作會(huì)一直重復(fù)，此時(shí)傳感器電容器也會(huì)成為總線(xiàn)上的電流負(fù)載。（如圖2）

　　藉由切換式電容器的電路運(yùn)作，iDAC 就會(huì)以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出總線(xiàn)上恒定的電壓值有多少。該電壓值會(huì)影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC 的電流值?？偩€(xiàn)其實(shí)也等同于一個(gè)旁路電容器（bypass capacitor），可以穩(wěn)定最終電壓。在總線(xiàn)上也可以增加額外的電容器，以調(diào)整電路的行為與時(shí)序。

　　計(jì)算所得的iDAC 值接著再度用來(lái)對(duì)總線(xiàn)充電，并且測(cè)量總線(xiàn)從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時(shí)間。初始電壓是在沒(méi)有手指觸碰的情形下，因此充電時(shí)間可事先測(cè)定。當(dāng)手指觸碰傳感器時(shí)會(huì)增加CX 的值，并且降低初始電壓，因此會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間量測(cè)。（如上公式及圖3）