容性傳感器的容值范圍通常是50fF到20pF，使精確檢測小的容值變化很困難，因而需要合適的模擬接口。跟傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)一樣，用戶接觸容性傳感器的體驗(yàn)直接與傳感器在各種可靠性條件下對接觸的響應(yīng)方式靈敏度有關(guān)。本文介紹一些目前常見的容性傳感器模擬前端測量技術(shù)，目的是開發(fā)高品質(zhì)且可靠的容性傳感器接口。
容性傳感器的靈敏度由其物理設(shè)計(jì)、用于測量電容的方法和相對于預(yù)設(shè)接觸門限電平精確比較容值變化的能力。
利用傳統(tǒng)的印刷電路板工藝制造出來的容性傳感器，通常容值在50fF到20pF范圍內(nèi)，使檢測容值的微小變化很困難。雖然有若干方法來測量這些微小的容值，但是，利用配備16位容性-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高精度測量技術(shù)，所帶來的好處很大。
容性傳感器可以設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的低成本印刷電路板上，也可以利用跟信號走線一樣的銅材在標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板或柔性印刷電路上開發(fā)容性傳感器。在兩種情況下，傳感器的最大靈敏度由傳感器的物理尺寸和塑料絲印化合物的介質(zhì)常數(shù)來確定，包括耗散因數(shù)、絲印材料的厚度。例如，具有5mm塑料絲印的3mm直徑傳感器就比具有2mm塑料絲印的6mm直徑傳感器的靈敏度要小。
目標(biāo)是開發(fā)具有正確響應(yīng)和滿足人類環(huán)境學(xué)要求的容性傳感器。在一些應(yīng)用中，傳感器可能外形要小，結(jié)果，用戶接觸引起的容值變化也小。圖1和圖2描述了在電路板上設(shè)計(jì)容性傳感器的普通方法。
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圖1：考慮了場結(jié)構(gòu)的容性傳感器設(shè)計(jì)。 |
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圖2：另一種容性傳感器設(shè)計(jì)方法。 |
上圖顯示了當(dāng)用戶接觸傳感器時(shí)，在激勵(lì)作用下的傳感器行為。在這兩種方法中，傳感器電容依賴用戶接觸而變化的方式不同；但是，在兩種情形下傳感器的性能是可以比較的。
激勵(lì)容性傳感器
圖1中的例子把一個(gè)連續(xù)的250KHz激勵(lì)方波作用在傳感器的源端(SRC)，以建立容性傳感器的電場。激勵(lì)在傳感器中所創(chuàng)建的電場，有一部分穿越絲印的塑料。電容輸入端(CIN)被連接到電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入。
如圖2所示為另一種容性傳感器設(shè)計(jì)的例子。把恒流源作用在傳感器的端口A，端口B接地。當(dāng)用戶接觸傳感器的時(shí)候，手指電容就會(huì)疊加上去。結(jié)果增加了充電周期期間的RC上升時(shí)間。
測量容性傳感器和探測傳感器的接觸
測量電容的傳統(tǒng)方法如圖3所示。
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圖3：測量電容的傳統(tǒng)方法是利用比較器和555計(jì)數(shù)器。 |
恒流源把容性傳感器持續(xù)充電到比較器的參考門限電平。每當(dāng)容性傳感器達(dá)到參考門限電平，比較器就變高；該高電平關(guān)閉開關(guān)，給電容放電并將計(jì)數(shù)器復(fù)位，如圖4所示。
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圖4：傳統(tǒng)的比較器和555定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的靈敏度門限電平。 |
通過對容性傳感器充電到比較器上的參考電平(REF)所用的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以確定用戶接觸傳感器的時(shí)間。該數(shù)值然后與預(yù)置的門限檢測設(shè)置比較，例如，計(jì)數(shù)值為50表示傳感器接觸；而計(jì)數(shù)值小于50可能表示沒有接觸。在本例中，當(dāng)用戶接觸傳感器時(shí)，測量的準(zhǔn)確性和精度與參考時(shí)鐘的頻率有關(guān)，并與在寬廣的容性傳感器數(shù)值范圍上電流源的可重復(fù)性有關(guān)。
測量電容的最佳辦法如圖5所示，其中采用了高分辨率16位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和250KHz激勵(lì)源。
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圖5：AD7142模擬前端。 |
激勵(lì)源是一個(gè)連續(xù)輸出的250KHz方波，它在容性傳感器中建立電場和穿越絲印材料的電力線。無論何時(shí)用戶接觸傳感器，精密的16位ADC都能夠以1fF的測量分辨率進(jìn)行檢測。不需要用外部元器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)校正功能確保不會(huì)因?yàn)闇囟然驖穸茸兓霈F(xiàn)故障或?qū)σ恍┯|摸不計(jì)數(shù)。
容性傳感器的輸出數(shù)據(jù)被數(shù)字化之后，通過設(shè)置相應(yīng)的16位寄存器，可以方便地分別對每一個(gè)傳感器的檢測門限電平進(jìn)行編程。門限電平可以被大約編程為傳感器滿量程(FS)輸出值的25%和95.32%，如圖6所示。
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圖6：設(shè)置AD7142靈敏度門限制電平。 |
可靠的容性傳感器源于模擬前端，它必須測量由用戶接觸容性傳感器引起的小的輸出變化。新型的高集成電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器集成了具有低功耗、高分辨率∑-σ轉(zhuǎn)換器的高性能模擬前端，讓容性傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠從最新的混合信號技術(shù)進(jìn)展中獲益匪淺。
（轉(zhuǎn)載）
