感測(cè)的內(nèi)容是什么？ 用于電容感測(cè)的有源屏蔽

你在傳感器系統(tǒng)中是否遇到過電容測(cè)量值的波動(dòng)呢?對(duì)于這些測(cè)量值的波動(dòng)有幾種解釋，但是最常見的根本原因是外部寄生電容干擾。這種干擾，比如說不經(jīng)意間將手靠的太近或者周圍區(qū)域中的電磁干擾 (EMI)，需要引起我們的注意，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)解決這些問題，其原因在于這些干擾會(huì)大大地降低系統(tǒng)可靠性和靈敏度。幸運(yùn)的是，有幾種方法可以幫助緩解這些干擾因素，這樣它們就不會(huì)影響到電容測(cè)量值的讀數(shù)了;其中一個(gè)方法就是有源屏蔽。FDC1004的最大特點(diǎn)就是有能夠降低干擾并幫助集中電容傳感器的感測(cè)區(qū)域。

想象一下有一條導(dǎo)線被連接至FDC1004通道輸入中的一個(gè)。當(dāng)你的手靠近這條導(dǎo)線并且將要接觸到它時(shí)，手與導(dǎo)線上的信號(hào)就形成了一個(gè)閉合回路，此時(shí)人體起到了接地源的作用。如果你的手不是既定目標(biāo)，那么就被視為寄生電容。解決方案是設(shè)置包裹在導(dǎo)線外的有源屏蔽。屏蔽驅(qū)動(dòng)器是在同一電壓電位，即相同波形上驅(qū)動(dòng)為傳感器輸入的有源信號(hào)輸出，所以沒有電位差，因此在屏蔽和傳感器輸入之間就沒有電容。任何外部干擾將把具有最小交互作用的屏蔽信號(hào)與傳感器信號(hào)耦合在一起。圖1顯示的就是屏蔽傳感器到FDC1004的信號(hào)線路的做法是如何減少任何干擾源對(duì)電容測(cè)量值的影響程度的。

圖1：有屏蔽與無(wú)屏蔽時(shí)的比較

在電容感測(cè)應(yīng)用使用屏蔽有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

·它將感測(cè)區(qū)域指向并集中在特定區(qū)域。

·它減小并消除寄生電容和干擾源。

·它消除了接地層上的溫度變化效應(yīng)。

屏蔽的指向性

在沒有屏蔽時(shí)，傳感器即CH檢測(cè)的是傳感器上方和下方的物體。根據(jù)應(yīng)用的不同，同時(shí)檢測(cè)上方和下方的物體是不合適的，還會(huì)錯(cuò)誤地表示與目標(biāo)相關(guān)的電容測(cè)量值。通過在CH和GND電極下方放置一個(gè)屏蔽傳感器，下方的場(chǎng)線從根本上被阻斷了;只有頂部的場(chǎng)線具有一個(gè)已確定的路徑。圖2中顯示的示例有些許簡(jiǎn)化，并且不包括邊緣效應(yīng)。

圖2：CH和GND之間的電場(chǎng)線

寄生電容和干擾源

良好的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)原理要求接地層能夠幫助減少噪聲并增加信號(hào)完整性。對(duì)于電容感測(cè)應(yīng)用來說，由于接地層即使不是既定的感測(cè)區(qū)域時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)電場(chǎng)線的端接源，所以接地層會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。如果印刷電路板 (PCB) 按照?qǐng)D3中相似的方式進(jìn)行堆疊，將會(huì)出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，并且會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值內(nèi)包含從傳感器到接地層之間的電容路徑上的值。通過使用傳感器與接地層之間的屏蔽，可以顯著地減少這個(gè)高值接地寄生電容。

在理想情況下，此屏蔽將消除接地層的全部影響;但是由于邊緣效應(yīng)，測(cè)量值中仍然會(huì)有一個(gè)較小的寄生接地電容值。屏蔽尺寸必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器和接地層的尺寸，這樣的話，邊緣上的場(chǎng)線會(huì)比總體電容測(cè)量值弱很多。

圖3：在有屏蔽和無(wú)屏蔽時(shí)的接地層效應(yīng)

接地層上的溫度效應(yīng)

除了將初始寄生電容偏移引入到測(cè)量值中，溫度也是導(dǎo)致寄生接地層電容發(fā)生變化的因素。這一現(xiàn)象可以看成一個(gè)隨時(shí)間發(fā)生變化的偏移。這些溫度造成的變化由接地層的膨脹和收縮所導(dǎo)致。在傳感器和接地層之間插入一個(gè)屏蔽層有助于緩解寄生接地層電容對(duì)測(cè)量值的影響。

使用FDC1004時(shí)的典型實(shí)現(xiàn)方式

FDC1004具有驅(qū)動(dòng)屏蔽驅(qū)動(dòng)器引腳上400pF負(fù)載的能力。任何大于400pF的負(fù)載將會(huì)使屏蔽不能正常有效地發(fā)揮作用。輸入通道與屏蔽之間的配對(duì)取決于工作模式。在單端模式中，因?yàn)閮蓚€(gè)屏蔽引腳在內(nèi)部被短接在一起，CIN1到CIN4可與SHLD1或SHLD2配對(duì)。對(duì)于差分模式來說，表1列出了相位內(nèi)的情況。

表1：針對(duì)差分模式的通道和屏蔽配對(duì)

例如，如果FDC1004被配置為CH1-CH4的方式，CH1將在相位內(nèi)并與SHLD1配對(duì)，而CH4將在相位內(nèi)并與SHLD2配對(duì)。