电容检测原理.docx

1、电容检测原理一些重要材料得介电常数如下表材料 介电常数材料介电常数合成树脂粘结剂3、6酒精25、8云母玻璃 5大理石 8硬纸 4、 纸、电缆胶皮化合物 2、5有机玻璃 3、2汽油2、2硬橡胶聚乙烯化合物 、9笨乙烯 3石英玻璃 3、7陶瓷 4、硅2、石蜡 2、2木材 2、7石英沙 4、水 0 软橡胶 2、5P 3、6OCA 2、22、4一、用MSP40基于张弛震荡器得检测图就就是使用SP40内部得比较器来实现一个张弛震荡触摸按键得得电路。在在输入端,比较器得正接到了一个电阻网络,比较器得负接到了电阻Rc与感应电容之间。比较器所接得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

2、反馈得激励，所以其值在/3Vcc与2/3Vc之间反复变化。造成张弛振荡器得持续震荡，其震荡频率可由以下公式算出：fOSC = 1/1、386RCER当手指接触到触摸按键以后,显然,CSENOR得值将会被改变，于就是fosc也随之变化。如果我们能够检测到这种变化得话,也就自然知道何时触摸按键被“按下”了。检测得方法也很简单，上面我们说过,当手指接触到触摸按键以后, CSENSO得值将会被改变,于就是fos也随之变化。频率得倒数就就是周期,只要我们在一个固定得时间内去计算上升沿或下降沿得数目,那么如果在某一时刻该数目有较大得变化得话,那就说明CESOR得值已经被改变,即按键被“按下”了。二、MP4

3、基于电阻电容充放电时间得检测第二种方法就就是基于电容充、放电时间长短得检测，下图给出了这种触摸检测方法得原理图。在这种方法中,主要检测得就是电容充电与放电得时间。首先，由一个I(Lad)对电容Cx进行充电;同时开启计时器进行计时；随着充电得进行,Cx得电压中不断升高,最终它将会操作某个门限电压,当其超过门限电压V后,cq / GPIO将会检测到这个事件,同时停止计时器并读出此时得数值。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,将会变大,显然,充电时间也会变长。通过不断比较每次充电得时间,很自然地就能得知当前就是否有按键被“按下”。 同样,既然能检测充电时间,那么也能检测放电时间。

4、这里不再赘述。YPRSS方式、1、A感应方式 SA 就是指 CpSese 逐次逼近感应方式,只能在 CY8C20x34PSC系列器件中应用。 图 CS结构图 图 显示了CSA得原理方框图,其工作流程如下: 开关W 与 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 S1 与 W2 切换，从而将 CMOD 上得平均电压设定为随 CX 值而变化得电平。另外可设置 iDAC 至低电流电平并保持 SW 打开,使得CMO 上得电压斜坡上升。在 CMOD 上用于达到 F 得斜坡电压得时间表示 CX值。在比较器输出端得定时器可将斜坡时间转化为具体

5、得数值。在没有手指接触时,通过逐次逼近方式来确定需要得 iDAC 设置,从而使 D 上得电压保持在REF,这样即可实现系统自校准。系统将为所有ns存储单独校准得AC 设置。 当手指接触时,CMOD上得电压会处于更低得电压电平，这需要更多得时间才能达到阈值电压 VEF，如图 所示。如果 (t21) 足够长,按钮就就是处于手指接触(Fnger-Prnt)状态,否则按钮就就是处于手指离开(Fnger-Absen)状态。 高达10 得内部可编程电容可用于 O，但就是更大得外部电容能够提升性能:按钮与滑条得电容为 0 ,而接近式感应则为 nF。推荐将 560 欧姆得串联电阻与所有CapSnse 输入串联

6、以避免 RF 干扰。图 在手指离开与手指接触得情况下,CSA波形得变化分页 、2、 Sesg Meh1、2、 CD 感应方式 CSD stnds forCpnswth Sia-Delta A/D、 Sis imlemented iboth the Y8C21x34and CY8C4x4 PSoC dev famies、CSD 就是指 CapenseSimata调制电容感应,其可在C8C1x4 与CY8C24x94 PSoC 系列器件中应用。 Figue 5、 CS Cnfiguraton CpSene 图 5 SD 结构图、 图 5 显示了CSD得原理方框图,其工作流程如下: 开关SW 与 S

7、2 与 感应电容CX 形成一个开关电容网络，从而在DD与OD之间具有一个等效电阻。等效电阻得值由 CX 控制。SW1与W2 得开关由 PR 生成器得伪随机序列进行控制。S3 工作时与 SW与 W 不同步。将 切换至接地时,CMD上得电压会下降。当 B 接通时,COD 上得电压又会上升。比较器会根据CMOD 上相对于 VREF得电压而更改状态。可通过添加 16 位定时器形成 igma- Deta A/,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 VD 得等效电阻变小,这就能允许更多电流流入CMO。比较器将花费更多得时间在CPHIG 状态上，而 CPLW 状态

8、得时间则会更少。如果 MHI/CMPLO 得比率足够高,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。 Figue 6、CSD Wavform hangs Wit Fingrbsent/Pesnt 图 6 在手指接触与手指离开得情况下,SD 波形得变化 与固定时钟源相比,P 更能有效降低噪声。推荐采用 90 F得CMOD 值。RB 要求调谐至ssr以获得最佳性能,其值大约为 5-0K。推荐将560 欧姆得串联电阻与所有CapSen 输入串联以避免R 干扰。分页 2、 Hot esign CapSnse Pitd Circuit Bards 2、如何设计apSns 印

9、刷电路板 在典型 CapSe 应用中，可通过印刷电路板 (B) 得布线来形成电容感应。下列指南说明了如何设计 pSense PC(见参考书目 )。 、1、 布线布局指南电路板面积:CSens所需得电路板面积只比感应区自身稍大。ensor周围得电场非常局限,尤其将接地层与Snsor铜箔置于相同得PCB层上时更为如此。 PSC 布局：使 So 与Senr之间得距离保持最小化就是一个不错得做法。通常将 PSoC 与其她组件一起贴装到底层,而将 CpSseso置于顶层上。 板层:最常见得 PCB 为双板层,Sn与栅格地层位于顶层,而其她器件则处于低层。当板区必须最小化时可采用四层板。典型得设计为处于顶

10、层得Senor，第2 层走线,第 3层为接地层，然后其她都在底层,如图 7 所示。不要直接在Sensor下布线。 图 板级空间有限时，CaSnse电路扳得四层布板情况 电路板厚度:目前发现基于 4 得设计可采用得标准电路板厚度为 0、020 （、5m)、0、047 (1、2 mm） 与 0、063 （1、6 mm)。那么电路板多薄才合适呢?一个经验法则就就是eor与接地层之间得间隙应比其至接地层得垂直距离要小。走线长度与宽度：必须使走线与Snsor得寄生电容 CP 最小化以确保系统得动态范围尽可能大。那么走线到底应该多长呢？在成功得 CaSen产品中,用于滑条得最长走线就是 9 (30m),而

11、用于按钮得最长走线就是 2(300mm）。(这个极限值示例要求更大得Sesor与更薄得覆盖物,以最大化来自Sensor得信号。)走线宽度将添加至Sesor CP,并且会增加耦合至其她层上得元件。、05 0、08(0、17 0、20mm)得走线宽度能满足大多数应用得需要。过孔:应使用最少得过孔并与 CapSnse输入得走线保持一致以最小化 P。可在eso上得任何位置进行过孔布置,如图8 所示。 图 8 触摸板得过孔可以在Snor得任何位置(底层走线、顶层Senor) 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 PI 主控制器。如果需要让通讯信号走线与Sesr引

12、脚交叉，那么应确保二者彼此垂直。就是减小通讯信号走线与eor走线之间交互得有效方式之一,就就是通过端口分配来实现隔离。端口引脚 1与 P11 用于编程与I2,并且如果没有其她引脚可用就应该仅用于 Caens。 铺地层：为了使 C最小化,推荐在Sensor层上进行 4 得铺地,而非nsor层则进行 0-80% 得铺地。 图 9 最小化 CP 得部分铺地 覆盖物厚度:表 1 针对PSo CapSene 应用(塑料覆盖物)列出了所推荐得最大覆盖物厚度。介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定得作用。普通玻璃其介电常数 r ,而塑料得介电常数 r2、5。对于相同水平得灵敏度,根据/2、5得比率就能估算出塑料

13、覆盖物得厚度。依据这种经验法则,对于同一灵敏度得普通玻璃覆盖物得厚度就应大约就是塑料覆盖物厚度得三倍。表 针对Caens 应用推荐使用得塑料覆盖物得厚度 信号与噪声都会受到覆盖物属性得影响。当覆盖物得厚度增加时,信号与噪声都会减弱。其中典型得关系曲线如图1 所示。可将信号定义为手指接触与手指离开状态平均输出中得差值。噪声可以定义为在手指离开得状态下输出得峰-峰值差。 图 0 随着覆盖物厚度得增加,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 保持良好得机械接触。 公司可提供两种广泛使用得非导电性粘合剂，其可用于覆盖物 7MP 与 468MP。手套:如果Senso必须在戴手套得情况

14、下工作,那么在设计按钮尺寸时应将手套材料得厚度添加到总得覆盖物厚度中。干皮革与橡胶与塑料类似,其介电常数介于 2、5-3、5 之间。滑雪手套得介电常数为 2 或更小,这取决于手套绝热得空气含量。 D 背光：CapSens 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走线位于电路板得底层即可。 一个 P 上有多个 So:对于拥有许多按钮得系统来说，例如键盘,系统设计时可能要求具有两个或多个专用于 CapSense 得 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得走线中独立出来。此举可防止独立得 CaSense 组之间发生耦合。分页 2、2、 按钮

15、按钮得功能就是判断导体就是否存在。apSe 按钮得典型应用就是感知手指得触摸。 形状:用于感知手指触摸得推荐形状为实心圆形,如图 所示。 图 11推荐使用得形状为实心圆形 当按钮周围得间隙增加时电容P 反而会降低。CP 与间隙得曲线关系示例如图 2 所示，图 1 还显示了三种按钮尺寸(直径5m、10与15m)得情形。 图 1 C 为按钮接地间隙与按钮直径得一个函数 (、062 厚度，FR） 保护性覆盖物越厚,按钮直径就应越大。图 1 显示了按钮直径得使用指南。对于 1m厚得有机玻璃覆盖物,推荐得按钮直径就是9m。 图 按钮直径与覆盖物厚度得关系2、3、 滑条滑条就是一个Senso阵列。相邻电容

16、元件之间得变化可用于确定导体得位置。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 (sider gmt) 必须足够小以便于多个片段能与手指接触,如果足够大得话，就会产生通过覆盖物所需得信号电平。锯齿形状很适合于滑条,滑条段最好有 5 个或以上。滑条得最大长度只受到 PSoC中可用引脚得限制。典型得滑条形状如图14中所示。上面每个滑条片段得条形图代表了ensor输出。 图 14 使用滑条产生得锯齿图案 滑条复用:如果 IO 引脚数目有限,那么将两个滑条段连接到一个 PSoC 引脚上就能使 PSC 感应滑条段数量翻倍。Capese 用户模块向导支持用户选择这种接法并将其作为引脚分配得选项

17、，并且用户模块 API能正确地确定手指所触摸得半边滑条。请注意，将每个Cpene输入引脚连接至两个滑条片段会使 CP 翻倍,但信号不会有任何增多。2、 触摸板CapSese用户模块不直接支持触摸板,但可将触摸板作为两个独立得滑条使用。所有适用于滑条得指南同样也适用于触摸板。 图 1利用两个 CapSese 滑条实现触摸板,一个用于 X 轴,一个用于 Y轴 CapSe触摸板得典型示例就就是有着 20列滑条(X轴)与 0行滑条(Y 轴）得设计。总共要将 30 个引脚用于 CapSese 输入。活动区域得尺寸为 3、 x 、9 （99 mx 47 mm),覆盖物为 0、1 (0、25m)得A 塑料层

18、。行与列Sensor之间留有 0、2 (） 得间距。基准线噪声电平在手指离开状态下就是单一得计数。手指在触摸板上会产生 15 个计数得差分信号,这会导致24dB 得信噪比(NR)。设置中心点算法即可确定每个行对与列对之间得 0 个位置,该触摸板系统得分辨率每英寸计数(PI)为 00。 2、 接近式感应 CapSnse用户模块不直接支持接近式感应,但可将接近式感应可以由大CP与计数差值小得 CpSse按钮来实现。专用接近式感应得最佳实施办法就是作为单一得线路长度,如图 16所示。把 CapSnsPCB上得按钮与滑条连接至单一得大Senor,这就是实施接近式感应得另外一种技术。 图 16 接近式感

19、应原型得后视图 2、6、柔性电路 柔性电路能很好适用于CaSnse。在印刷电路板中提到得所有相同得指南同样也适用于柔性电路。柔性电路通常比 PCB 要薄一些。通过使用不薄于 0、1 (0、 mm） 得柔性电路来限定 CP,并且可将走线长度限制为几英寸。柔性电路得一个良好特性就是 Kpo材料(29 KV/mm)可提供高击穿电压。2、IT 触摸屏 IO 就是铟锡氧化物得英文缩写。这种陶瓷材料得薄膜不仅可以导电,而且非常透明。TO 触摸屏得示例如图 1 所示。ITO 薄膜得电阻率范围为 0、251000 欧姆/平方,并且其典型值介于 0-0 欧姆平方之间。薄膜得厚度决定了电阻率。材料越薄,通过得光线

20、就越多,其产生得电阻也会越大。反之,材料越厚,通过得光线就越少,其产生得电阻也会越小。 触摸屏可运行于电阻式或电容式下。两种模式都有其适合市场。电阻式要求存在压力以使导电层保持接触,更容易磨损与破裂。这种模式就是一种具有较差透明度（90)得单层板或双层板解决方案。赛普拉斯能同时支持这两种触摸屏技术。 图 17 TO 触摸屏分页 3、 从概念到生产:Capens工具与技术3、评估板与示例 图8 Y3212-CapSes培训评估板 如图 18 所示,CY212 板就是一款用于CapSens 应用开发得评估板。应用固件上写有“C”字样。通用功能库使得项目开发就与写入几行代码一样得简单。 此处得代码示

21、例其目得就是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sens并将结果保存到 I2阵列中。 代码 1 3、2、基准线技术 Bsl就是用于 apSens 测量得参考线。每个电容式Senor都有其自身得基准线。对电容式Sensor数据来说,Baseline就就是一种基准线,这些数据可通过 CaSee 用户模块得基准线进行比较、计算得出。可IR低通滤波器来处理原始计数数据，如图 19 所示。例如手指接触与手指离开状态,都就是基于基准线建立得参考电平。 图19Basene就就是 Canse数据得基准线,该数据不断更新3、 环境影响 温度与湿度:温度与湿度都会导致基准线计数随时间漂移。apense用户模块具有从0C到

22、 +85C 得特征,如图 2 所示。由基准线所追溯得趋势可自动补偿温度与湿度所造成得不良影响。 图 20 混度变化(原始计数会随温度漂移,湿度也具有相似得影响) 水:当覆盖物上出现雾状沉淀或者有小水滴溅到Sens上时,apSe仍然能够可靠运行。可通过灵巧得机械设计来处理有水情况。设计Sso时使其垂直或保持一定角度以使水能迅速流出表面;并且在Seso外面区域得覆盖物上增加沟槽以帮助水分流掉。另外,还使按钮突出以防止水坑得形成。 pSens 在置于水中或持续得水流流经Senor得情况下, 将无法正常工作。 、4、 功耗与休眠 电池使用寿命以毫安/小时表示。平均电流越低,CpSense 工作时间就会

23、越长(见参考书目 )。可对PoC 进行编程以使其具有不同得功耗模式。 在连续触摸按钮时，处于快速响应模式。 经过一段时间没有动作时,处于省电且缓慢响应得模式。 长时间没有动作时,处于深度休眠模式。 与其她电容感应解决方案相比,PoC 得优势之一就是其可编程性。用户可根据需要，使 pese 进入省电模式。CapSense 按钮得响应速度非常之快,每扫描一次按钮仅需200 微秒。可将这种高扫描速度与低休眠电流相结合以获得很低得平均电流。CapSese系统得一个实例就是处于省电且缓慢响应模式时，可每 100 毫秒对三个按钮扫描一次,而其消耗得平均电流不足 0 A。 3、5、 噪声过滤 通过传导与辐射

24、源会将噪声引入到 CapSnse 系统中。传导性噪声可通过电源与信号线路进入系统。蜂窝电话或荧光灯镇流器之类得辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类型得噪声都存在时,固件中得过滤技术可用于增大 Caps 系统得信噪比 (SR)。PoC 仅仅需要几行代码就能够实施FI 与 II 数字滤波器。 R滤波器:与电源线路噪声得频率相比,手指触按事件得频率会偏低。在此情况下,低通滤波器 (F)就成为一种非常高效得噪声过滤解决方案。FIR LPF 可定义如下: ( x1 + x2 + +x) N（1) 每个噪声周期会对原始计数采样 N 次。N 个采样可根据公式 (1) 结合到一起。在50 Hz 得噪声环境下,

25、采样周期必须为 8 ms/N。IR 滤波器得性能会随着N 得次数增加而提高，因此只要系统允许就应使 值尽可能大。I滤波器:FIR滤波器在这方面得不足之处就是它需要采用比 II更高阶得滤波器才能获得相同得结果。这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻合。因此在某些时候，对LPF 来说,I 滤波器就是更为合适得选择。表 2 对 FIR滤波器与 IIR 滤波器进行了具体比较。 表 低通滤波器 FR 与 IR 得比较3、 RF 抗干扰性考虑因素 F 可干扰任何电容感应系统得运行,包括 CaSene(见参考书目 )。在电场强度足够高得地方，RF 干扰会导致误判得按钮触摸事件，或者妨碍了真正得按

26、钮触摸感应。蜂窝电话就就是很好得例子,其将 F发送器与按钮近距离地有意结合到一起。 从发送器开始超过 / 波长距离得电场强度可通过公式（)近似得出。 E 伏特/米=电场 P Bm供给天线得 RF 功率 D英寸=天线至感应Sesor得距离对于在+2 dm (0、6W) 功率下发射信号得 00 MHz 蜂窝电话,距离天线3得电场可估算出大约为 60 V/m。图 21显示了在 RF 干扰情况下得等效电路,例子中采用经过配置得PSC来运行 Capese 内部得二极管以保护 PC 免受 ESD 事件影响,最高可达2KV。 图 2PSoC 输入端得二极管可提供 D 保护 走线得谐振效应可形成接收器天线。四

27、分之一波长得走线就就是一款高效得天线。图 22 显示了四分之一波长得天线与频率得关系曲线。图 22 四分之一波长得走线就就是一款高效得天线分页对于低电平得R 信号,CapSse 电路不会对系统得数字输出有任何得影响，因为低电平得RF 信号瞧起来像就是背景噪声,因而系统往往会忽略这种噪声。当 F 功率增加时,apense 计数会偏移恒定得数量，该数量可通过干扰得功率电平进行设定。F 信号为交流信号，但就是由于CapSese 输入端上二极管得作用使得对 Cpes 计数得影响却就是直流信号。计数中得正漂移可导致误判得按钮触摸事件,而负偏移则会妨碍感应到真正得按钮触摸。CSese 用户模块得手指与噪声阈值允许在计数中存在小偏移,在此情况下仍可正常工作。对于高电平得RF 干扰,就需要采用其她得测量办法。以下就是两种可用得解决方案: