电容检测原理Word格式.docx

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聚乙烯化合物

笨乙烯3

石英玻璃

陶瓷

硅

石蜡

木材

石英沙

水80

软橡胶

PET

OCA~

一、用MSP430基于张弛震荡器的检测

图就是使用MSP430内部的比较器来实现一个张弛震荡触摸按键的的电路。

在在输入端，比较器的正接到了一个电阻网络，比较器的负接到了电阻Rc与感应电容之间。

比较器所接的电阻网络为比较器提供了参考电压，而这个参考电压又受到了比较器输出反馈的激励，所以其值在1/3Vcc和2/3Vcc之间反复变化。

造成张弛振荡器的持续震荡，其震荡频率可由以下公式算出：

fOSC=1/[×

RC×

CSENSOR]

当手指接触到触摸按键以后，显然，CSENSOR的值将会被改变，于是fosc也随之变化。

如果我们能够检测到这种变化的话，也就自然知道何时触摸按键被“按下”了。

检测的方法也很简单，上面我们说过，当手指接触到触摸按键以后，CSENSOR的值将会被改变，于是fosc也随之变化。

频率的倒数就是周期，只要我们在一个固定的时间内去计算上升沿或下降沿的数目，那么如果在某一时刻该数目有较大的变化的话，那就说明CSENSOR的值已经被改变，即按键被“按下”了。

二、MSP430基于电阻电容充放电时间的检测

第二种方法就是基于电容充、放电时间长短的检测，下图给出了这种触摸检测方法的原理图。

在这种方法中，主要检测的是电容充电和放电的时间。

首先，由一个GPIO（Load）对电容Cx进行充电；

同时开启计时器进行计时；

随着充电的进行，Cx的电压中不断升高，最终它将会操作某个门限电压V,当其超过门限电压V后，AcqI/OGPIO将会检测到这个事件，同时停止计时器并读出此时的数值。

这样，就完成了一次充电计时过程，当手指接触到触摸按键时，Cx将会变大，显然，充电时间也会变长。

通过不断比较每次充电的时间，很自然地就能得知当前是否有按键被“按下”。

同样，既然能检测充电时间，那么也能检测放电时间。

这里不再赘述。

CYPRESS方式

.CSA感应方式

　　CSA是指逐次逼近感应方式，只能在CY8C20x34PSoC系列器件中应用。

　　图3CSA结构图

　　图3显示了CSA的原理方框图，其工作流程如下：

　　开关SW1和SW2与感应电容CX形成了一个开关电容网络，该网络可以等效为电阻。

通过将iDAC设置到校准电平并使SW1和SW2切换，从而将CMOD上的平均电压设定为随CX值而变化的电平。

另外可设置iDAC至低电流电平并保持SW2打开，使得CMOD上的电压斜坡上升。

在CMOD上用于达到VREF的斜坡电压的时间表示CX值。

在比较器输出端的定时器可将斜坡时间转化为具体的数值。

　　在没有手指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要的iDAC设置，从而使CMOD上的电压保持在VREF，这样即可实现系统自校准。

系统将为所有sensor存储单独校准的iDAC设置。

　　当手指接触时，CMOD上的电压会处于更低的电压电平，这需要更多的时间才能达到阈值电压VREF，如图4所示。

如果（t2-t1）足够长，按钮就是处于手指接触（Finger-Present）状态，否则按钮就是处于手指离开（Finger-Absent）状态。

　　高达100pF的内部可编程电容可用于CMOD，但是更大的外部电容能够提升性能：

按钮和滑条的电容为1000pF，而接近式感应则为10nF。

推荐将560欧姆的串联电阻与所有输入串联以避免RF干扰。

　　图4在手指离开与手指接触的情况下，CSA波形的变化

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　　.CSDSensingMethod

　　.CSD感应方式

　　CSDstandsforwithSigma-DeltaA/D.CSDisimplementedinboththeCY8C21x34andCY8C24x94PSoCdevicefamilies.

　　CSD是指Sigma—Delta调制电容感应，其可在CY8C21x34和CY8C24x94PSoC系列器件中应用。

　　Figure5.CSDConfigurationof

　　图5CSD结构图、

　　图5显示了CSD的原理方框图，其工作流程如下：

　　开关SW1和SW2与感应电容CX形成一个开关电容网络，从而在VDD和CMOD之间具有一个等效电阻。

等效电阻的值由CX控制。

SW1和SW2的开关由PRS生成器的伪随机序列进行控制。

SW3工作时与SW1和SW2不同步。

将RB切换至接地时，CMOD上的电压会下降。

当RB接通时，CMOD上的电压又会上升。

比较器会根据CMOD上相对于VREF的电压而更改状态。

　　可通过添加16位定时器形成Sigma-DeltaA/D，以测量比较器高电平持续时间至比较器低电平持续时间。

　　当手指接触时，CX会变大而VDD的等效电阻变小，这就能允许更多电流流入CMO。

比较器将花费更多的时间在CMPHIGH状态上，而CMPLOW状态的时间则会更少。

如果CMPHIGH/CMPLOW的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按钮就会处于手指离开状态，如图6所示。

　　Figure6.CSDWaveformChangesWithFingerAbsent/Present

　　图6在手指接触与手指离开的情况下，CSD波形的变化

　　与固定时钟源相比，PRS更能有效降低噪声。

推荐采用3900pF的CMOD值。

RB要求调谐至sensor以获得最佳性能，其值大约为5K-10K。

　　2.HowtoDesignPrintedCircuitBoards

　　2、如何设计印刷电路板

　　在典型应用中，可通过印刷电路板（PCB）的布线来形成电容感应。

下列指南说明了如何设计PCB（见参考书目[2]）。

　　.布线布局指南

　　电路板面积：

所需的电路板面积只比感应区自身稍大。

Sensor周围的电场非常局限，尤其将接地层和Sensor铜箔置于相同的PCB层上时更为如此。

　　PSoC布局：

使PSoC与Sensor之间的距离保持最小化是一个不错的做法。

通常将PSoC与其他组件一起贴装到底层，而将Sensor置于顶层上。

　　板层：

最常见的PCB为双板层，Sensor和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层。

当板区必须最小化时可采用四层板。

典型的设计为处于顶层的Sensor，第2层走线，第3层为接地层，然后其他都在底层，如图7所示。

不要直接在Sensor下布线。

　　图7板级空间有限时，电路扳的四层布板情况

　　电路板厚度：

目前发现基于FR4的设计可采用的标准电路板厚度为"

、"

mm）和"

mm）。

那么电路板多薄才合适呢一个经验法则就是Sensor与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。

　　走线长度和宽度：

必须使走线和Sensor的寄生电容CP最小化以确保系统的动态范围尽可能大。

那么走线到底应该多长呢在成功的产品中，用于滑条的最长走线是9"

（230mm），而用于按钮的最长走线是12"

（300mm）。

（这个极限值示例要求更大的Sensor和更薄的覆盖物,以最大化来自Sensor的信号。

）走线宽度将添加至SensorCP，并且会增加耦合至其他层上的元件。

"

-"

-的走线宽度能满足大多数应用的需要。

　　过孔：

应使用最少的过孔并与输入的走线保持一致以最小化CP。

可在Sensor上的任何位置进行过孔布置，如图8所示。

　　图8触摸板的过孔可以在Sensor的任何位置（底层走线、顶层Sensor）

　　通讯信号走线：

电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号走线，例如I2C或SPI主控制器。

如果需要让通讯信号走线与Sensor引脚交叉，那么应确保二者彼此垂直。

是减小通讯信号走线和Sensor走线之间交互的有效方式之一，就是通过端口分配来实现隔离。

端口引脚P1[0]和P1[1]用于编程和I2C，并且如果没有其他引脚可用就应该仅用于。

　　铺地层：

为了使CP最小化，推荐在Sensor层上进行40%的铺地，而非Sensor层则进行60-80%的铺地。

　　图9最小化CP的部分铺地

　　覆盖物厚度：

表1针对PSoC应用（塑料覆盖物）列出了所推荐的最大覆盖物厚度。

介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用。

普通玻璃其介电常数εr≈8，而塑料的介电常数εr≈。

对于相同水平的灵敏度，根据εr/的比率就能估算出塑料覆盖物的厚度。

依据这种经验法则，对于同一灵敏度的普通玻璃覆盖物的厚度就应大约是塑料覆盖物厚度的三倍。

　　表1针对应用推荐使用的塑料覆盖物的厚度

　　信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。

当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都会减弱。

其中典型的关系曲线如图10所示。

可将信号定义为手指接触和手指离开状态平均输出中的差值。

噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰-峰值差。

　　图10随着覆盖物厚度的增加，信号电平开始下降

　　覆盖物粘合剂：

覆盖物材料必须与感应PCB保持良好的机械接触。

3M公司可提供两种广泛使用的非导电性粘合剂，其可用于覆盖物467MP和468MP。

　　手套：

如果Sensor必须在戴手套的情况下工作，那么在设计按钮尺寸时应将手套材料的厚度添加到总的覆盖物厚度中。

干皮革和橡胶与塑料类似，其介电常数介于之间。

滑雪手套的介电常数为2或更小，这取决于手套绝热的空气含量。

　　LED背光：

能够与LED背光一起出色地工作，仅需在感应铜箔上截一个孔并保持LED走线位于电路板的底层即可。

　　一个PCB上有多个PSoC：

对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计时可能要求具有两个或多个专用于的PsoC。

如果情况确需如此，就应隔开按钮以便使铺地从每个按钮组的走线中独立出来。

此举可防止独立的组之间发生耦合。

　　.按钮

　　按钮的功能是判断导体是否存在。

按钮的典型应用是感知手指的触摸。

　　形状：

用于感知手指触摸的推荐形状为实心圆形，如图11所示。

　　图11推荐使用的形状为实心圆形

　　当按钮周围的间隙增加时电容CP反而会降低。

CP与间隙的曲线关系示例如图12所示，图12还显示了三种按钮尺寸（直径5mm、10mm和15mm）的情形。

　　图12CP为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数"

厚度,FR4）

　　保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。

图13显示了按钮直径的使用指南。

对于1mm厚的有机玻璃覆盖物，推荐的按钮直径是9mm。

　　图13按钮直径与覆盖物厚度的关系

　　.滑条

　　滑条是一个Sensor阵列。

相邻电容元件之间的变化可用于确定导体的位置。

通过使用中心点计算即可在固件中确定接触点位置。

　　滑条段（s