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通過(guò)制作泰勒明電子琴學(xué)習電容接近感應

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發(fā)表于 2009-12-14 11:50:48 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
關(guān)鍵詞: 電容 , 電子琴 , 感應 , 泰勒明 , 制作
電容接近感應是探測兩個(gè)物體接近程度的一種方法,常用來(lái)在用戶(hù)界面中測量手指和感應器之間的距離。由于電容感應提供了一種沒(méi)有運動(dòng)部件參與的輸入方法,因而其在很多應用中都非常實(shí)用。

通常在學(xué)習一種新技術(shù)時(shí),如果頭腦中的項目足夠簡(jiǎn)單且主要的設計和故障排除與技術(shù)的實(shí)施直接相關(guān),我們會(huì )發(fā)現這會(huì )起到事半功倍的作用。此外,如果這個(gè)項目很有趣而又令人興奮,則還有助于工程師保持興趣與動(dòng)力。為此,本文以描述如何制作簡(jiǎn)單的泰勒明電子琴 —— 一種用音調(頻率)和音量(振幅)控制的樂(lè )器 —— 的方式來(lái)闡釋?xiě)秒娙莞袘幕A知識。

泰勒明電子琴基礎知識

泰勒明電子琴的基本原理是產(chǎn)生一個(gè)周期性波形來(lái)驅動(dòng)放大器,并繼而驅動(dòng)揚聲器?刂品绞接袃煞N:音調和音量。音調輸入控制波形頻率,而音量輸入則控制振幅。傳統上,每個(gè)輸入都是一個(gè)連接到射頻諧振電路的天線(xiàn)。當手接近天線(xiàn)時(shí),電容就添加到電路中并改變其頻率。如欲了解有關(guān)如何使用頻率的詳細信息,請參見(jiàn)以下鏈接
http://mrr3000gt.mystarband.net/MRT/index.htm http://www.Thereminvox.com/article/articleview/15/2/2/

電容感應基礎知識

在本文中我使用的是一種有時(shí)需要微控制器一起協(xié)同工作的電容測量方法,而非拍頻方法。電容感應張弛振蕩器 (CSR) 由一個(gè)電流可編程張弛振蕩器(固定電流源,參考電壓比較器),一個(gè)多路器和一個(gè)數字計數器組成(參見(jiàn)圖 1)


圖 1:張弛振蕩器

以下是測量自電容的方法:

1. 將一個(gè)小容值電容 (Cp) 連接于比較器的一端。
2. 用恒定電流給 Cp 充電,直到比較器的正極高于負極參考電壓。
3. 一旦比較器達到額定電壓,將 Cp 接地以釋放所有電荷。
4. 測量將 Cp 充電到額定電壓所用的時(shí)間。
5. 將充電時(shí)間轉換成電容。

可通過(guò)電容器兩端電壓和電流之間的關(guān)系將充電時(shí)間轉換成電容:



為 Cp 求解:



i 為恒定電流源。V 為恒定比較器參考電壓,因此:




使用小容值電容有時(shí)更易于測量相對電容。而這種情況下需要使用多路器。多路器的一個(gè)輸入端連接已知容值的參考電容 (Cr) ,另一端連接感應節點(diǎn) (Cs) 。先后測量 Cr 和 Cs 端電容充電到參考電壓所需的時(shí)間。如果 Cs 恰巧是 Cr 值的一半,那么 Cs 所需的充電時(shí)間就是 Cr 的一半。

最后是如何把充電時(shí)間轉換成固件可用的數值。微處理器上的計數器可用來(lái)記錄充電到閾值電壓需要的時(shí)鐘周期數。電容越大,時(shí)鐘周期數就越多。

最終產(chǎn)品集成

剩下的工作就是讓音調輸入電容 (Cp) 控制輸出頻率,音量輸入電容 (Cv) 控制輸出振幅。為將所有電路集成在同一芯片上,可以將一個(gè)8 位數模轉換器 (DAC) 和8位脈寬調制解調器 (PWM) 連接起來(lái)。將 Cp 量化為一個(gè)8位值,并用作脈寬調制解調器的比較值;將 Cv 量化為一個(gè)8位值并用于設定數模轉換器。然后接上一個(gè) 32 歐姆的揚聲器,便大功告成!系統原理方框圖見(jiàn)圖 2


圖 2:系統原理方框圖

問(wèn)題解決與測試

借助一個(gè)液晶顯示器 (LED) 就可輕松解決相關(guān)問(wèn)題并進(jìn)行相關(guān)測試,這也是最有效的方法之一。即使一個(gè)簡(jiǎn)單的 2x16 數字顯示器也能提供大量的系統工作信息。我用這個(gè)顯示器來(lái)定期更新計數器的值。只要改變感應器金屬線(xiàn)的形狀,顯示器上的記數值立即就會(huì )發(fā)生變化。這使得測試其它的感應器的方法變得簡(jiǎn)單。

上述應用實(shí)例表明,電容接近感應是一項極其有用的通用技術(shù),且實(shí)施簡(jiǎn)單。為了保持項目簡(jiǎn)單、集中,工程師可以快速學(xué)習電容感應的基礎知識以實(shí)現更大更復雜的系統。

以下是建立這一系統的元件列表:

硬件:

帶兩個(gè) CapSense 輸入的 PSoC ——一個(gè)用于音調,一個(gè)用于音量輸入
我選用 8C24x94 轉接盒,因為其采用28 引腳 DIP 封裝。 http://www.cypress.com/?rID=3472. 不過(guò),也可采用 CY8C24794、 CY8C24894 或 CY8C24994 QFN 等更便宜的部件: http://www.cypress.com/?rID=17853.

電容感應器
我采用了 2 根 2 英寸長(cháng)的電路試驗板跳線(xiàn),并將它們插入內置于 8C24x94 轉接盒中的連接器。將跳線(xiàn)彎成圓圈可改變它們的靈敏度。

LCD 顯示器的 PSoCEval1 開(kāi)發(fā)板:有了 LCD ,則無(wú)需在線(xiàn)仿真器(ICE)。 LCD 對測試和調試都非常有用: http://www.cypress.com/?rID=2541.

用以對 PSoC 進(jìn)行編程的 MiniProg:隨 PSoCEval1 開(kāi)發(fā)板配套提供。

軟件:

包括電容感應張弛振蕩器用戶(hù)模塊的 PSoCDesigner 4.4。也可使用PSoCDesigner 5.0版本: http://www.cypress.com/?rID=34517.

研究:

Dave Van Ess 有關(guān)用 CapSense 開(kāi)始設計的視頻: http://www.cypress.com/?id=1295
電容感應張弛振蕩器用戶(hù)模塊文檔(PSoCDesigner 中提供)

作者:賽普拉斯半導體公司Todd Lesher
沙發(fā)
發(fā)表于 2011-2-27 21:47:02 | 只看該作者
板凳
發(fā)表于 2013-11-8 08:37:22 | 只看該作者
復制下來(lái)。。。。。。。。!我自己好好學(xué)習。。。。。。。。。!

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