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因為采用了傳統機械開(kāi)關(guān)，用戶(hù)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量方法 1 靈敏度 電容傳感器的靈敏度是由其物理結構、測量電容的方法和精確比較電容相對于接觸門(mén)限電平變化的能力而決定的。采用傳統印制電路板（PCB）方法制造的 電容傳感器的測量范圍通常為1～20pF，因而很難準確地檢測微小變化。雖然有幾種測量這些電容微小值的方法，但采用16位電容/數字轉換器（CDC）的 高精密測量方法仍然具有明顯的優(yōu)勢。 2 基于PCB設計的電容傳感器 制作在標準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)做信號線(xiàn)。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。 我們的目標是開(kāi)發(fā)具有正確響應并且滿(mǎn)足人體工學(xué)要求的電容傳感器。在某些應用中，傳感器可能會(huì )很小，從而使用戶(hù)接觸面上產(chǎn)生微小的電容變化。 圖1 AD7142電容傳感器的設計 圖2 另一種電容傳感器設計 圖1和圖2顯示了在印制電路板上設計電容傳感器的兩種常用方法。圖中給出了在用戶(hù)接觸期間施加激勵信號時(shí)傳感器的響應特性。雖然根據用戶(hù)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。 3 激勵電容傳感器 如圖1所示，連續的250kHz方波激勵信號施加在傳感器的SRC端，以在電容傳感器內建立電場(chǎng)。激勵信號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計案例，其將一個(gè)恒流源加到傳感器的A端，而將B端接地。當用戶(hù)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RC的上升時(shí)間。 4 測量電容傳感器并且檢測傳感器接觸面積 圖3顯示了一種測量電容的傳統方法。恒流源不斷地為電容傳感器充電，以使其達到比較器的參考門(mén)限電平。當電容傳感器達到參考門(mén)限值時(shí)，比較器將輸出高電平脈沖，然后閉合開(kāi)關(guān)，電容器放電并且復位計數器。靈敏度門(mén)限電平如圖4所示。 圖4 傳統比較器和555定時(shí)器或計數器的靈敏度門(mén)限電平 要確定何時(shí)用戶(hù)開(kāi)始接觸傳感器，需要計數器對電容傳感器充電到比較器參考電平所經(jīng)歷的時(shí)鐘周期數進(jìn)行計數，并將這個(gè)值與預置門(mén)限檢測設置值比較。例 如，計數為50表明傳感器有接觸，而小于50則表明沒(méi)有接觸。在本例中，當用戶(hù)接觸傳感器時(shí)，其準確度和精密度與參考時(shí)鐘的頻率和驅動(dòng)各種電容傳感器的電 流源的重復性有關(guān)。 圖5 AD7142模擬前端 圖5所示是一種較理想的測量電容方法，它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激勵源。激勵源不斷產(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(hù)何時(shí)接觸傳感器，精密16位ADC都能以1fF測量分辨率來(lái)檢測。其無(wú)須外部控制元件并且自動(dòng)校準，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字化后，就可以通過(guò)設置相應的16位寄存器來(lái)設置每個(gè)傳感器的具體檢測門(mén)限電平。門(mén)限電平可以設置在傳感器滿(mǎn)偏（F.S.）輸出值的25％～95.32％之間。AD7142靈敏度門(mén)限電平的設置如圖6所示。 圖6 設置AD7142的靈敏度門(mén)限電平 可靠的電容傳感器接口以模擬前端開(kāi)始，該前端必須能夠測量用戶(hù)接觸電容傳感器時(shí)引起的微小輸出變化�，F在，新的高集成度CDC使設計工程師從集成有低功耗、高分辨率Σ-Δ ADC混合信號技術(shù)中受益。 |
