用于电容传感器接口的模拟前端元件(1).doc

1 用于电容传感器接口的模拟前端元件(1) 因为采用了传统机械开关, 用户使用电容传感器接口的方式直接与各种工作条件下( 可靠性) 接触传感器的响应度( 员敏度) 梧关。本文将介绍一些通用电容传感器模拟前端测量方法灵敏度电容传感器的灵敏度是由其物理结构、测量电容的方法和精确比较电容相对于接触门限电平变化的能力而决定的。采用传统印制电路板(pcb) 方法制造的电容传感器的测量范围通常为 1~ 20pf, 因而很难准确地检测微小变化。虽然有几种测量这些电容微小值的方法, 但采用 16 位电容/ 数字转换器(cdc) 的高精密测量方法仍然具有明显的优势。基于 pcb 设计的电容传感器制作在标准印制电路板或挠性印制电路上的电容传感器都使用了相同的铜材料来做信号线。在这两种情况下, 传感器的最大灵敏度都由传感器的物理尺寸、电介质常数以及覆膜厚 2 度所决定。例如, 带有 5mm 塑料覆膜的 3mm 厚传感器不如带有 2mm 塑料覆膜的 6mm 厚传感器灵敏。我们的目标是开发具有正确响应并且满足人体工学要求的电容传感器。在某些应用中, 传感器可能会很小, 从而使用户接触面上产生微小的电容变化。 540)=540 ” vspace=5> 540)=540 ” vspace=5> 图1 和图 2 显示了在印制电路板上设计电容传感器的两种常用方法。图中给出了在用户接触期间施加激励信号时传感器的响应特性。虽然根据用户接触方式的变化, 传感器电容会有所不同, 但是传感器的性能在这两种情况下相差不大。激励电容传感器如图 1 所示, 连续的 250khz 方波激励信号施加在传感器的 src 端, 以在电容传感器内建立电场。激励信号在传感器中建立电场后, 该电场会部分地延伸出塑料覆膜,cln 端连接到 cdc 上。图2 所示为另外一种电容传感器设计案例, 其将一个恒流源加到传感器的 a端, 而将 b 端接地。当用户触摸传感器时会增加额外的手指电容, 从而增加了充电周期内 rc 的上升时间。测量电容传感器并且检测传感器接触面积 3 540)=540 ” align=left vspace=5> 图3 显示了一种测量电容的传统方法。恒流源不断地为电容传感器充电, 以使其达到比较器的参考门限电平。当电容传感器达到参考门限值时, 比较器将输出高电平脉冲, 然后闭合开关, 电容器放电并且复位计数器。灵敏度门限电平如图 4所示。要确定何时用户开始接触传感器, 需要计数器对电容传感器充电到比较器参考电平所经历的时钟周期数 540)=540 ” align=left vspace=5> 进行计数, 并将这个值与预置门限检测设置值比较。例如, 计数为 50 表明传感器有接触, 而小于 50 则表明没有接触。在本例中, 当用户接触传