通過(guò)制作泰勒明電子琴學(xué)習電容接近感應

賈延安

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)�用電容感應的基礎知識。

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，參考電壓與比較器），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。

帶 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

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復制下來(lái)�。。。。。。。。�！我自己好好學(xué)習�。。。。。。。。。�！