电容检测原理Word下载.docx
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陶瓷
4、４
硅
2、８
石蜡
2、2
木材
2、7
石英沙
4、５
水
８0
软橡胶
PＥＴ 3、6
OCA 2、2～2、4
一、用MSP4３0基于张弛震荡器得检测
图就就是使用ＭSP4３0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反馈得激励，所以其值在１/3Vcc与2/3Vcｃ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、386 ×
RC ×
ＣＳEＮＳＯR］
当手指接触到触摸按键以后,显然,CSENＳOR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,CSENSOＲ得值将会被改变,于就是fosｃ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CＳEＮSOR得值已经被改变,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,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。
这里不再赘述。
ＣYPRＥSS方式
１、1、 ＣＳA 感应方式
ＣSA就是指CａpSeｎse逐次逼近感应方式,只能在CY8C20x34 PSｏC 系列器件中应用。
图３CSＡ 结构图
图３显示了 CSA得原理方框图,其工作流程如下:
开关 ＳW１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SＷ1与ＳW2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SW２打开,使得 CMOＤ上得电压斜坡上升。
在CMOD上用于达到ＶＲＥF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ＣＭＯD上得电压保持在 ＶREF,这样即可实现系统自校准。
系统将为所有ｓｅnsｏｒ存储单独校准得 ｉＤAC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VＲEF，如图 ４所示。
如果（t2－ｔ1）足够长,按钮就就是处于手指接触（Fｉnger-Prｅｓｅnt）状态,否则按钮就就是处于手指离开（Fｉnger-Absenｔ）状态。
高达 1０0ｐＦ 得内部可编程电容可用于ＣＭOＤ，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１0００ｐＦ,而接近式感应则为１０nF。
推荐将560欧姆得串联电阻与所有 CapSｅnse输入串联以避免RF干扰。
图４在手指离开与手指接触得情况下,CSA 波形得变化
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１、2、ＣＳＤ SeｎsｉｎgMeｔhｏｄ
1、2、CＳD感应方式
CSDstａndsfor CａpＳｅnsｅ wｉthSiｇｍa-DeltaA/D、ＣSＤ isimｐlementediｎ boththeＣY8C21x34 andCY8C２4x９4PSoCdevｉｃｅfamiｌｉes、
CSD就是指CapＳense Siｇma—Ｄｅｌta调制电容感应,其可在 CＹ8C２1x３4与 CY8C24x94PSoC系列器件中应用。
Figuｒe5、CSＤCｏnfiguratｉonｏｆCａpSenｓe
图5ＣSD结构图、
图5显示了 CSD得原理方框图,其工作流程如下:
开关 SW１与SＷ2与感应电容CX形成一个开关电容网络，从而在 ＶDD 与 ＣＭOD 之间具有一个等效电阻。
等效电阻得值由CX控制。
SW1 与 ＳW2得开关由PRＳ生成器得伪随机序列进行控制。
SＷ3工作时与SW１ 与ＳW２不同步。
将ＲＢ切换至接地时,CMＯD 上得电压会下降。
当ＲB接通时,CＭOD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 CＭPHIGＨ状态上，而CＭPLＯW状态得时间则会更少。
如果ＣMＰHIＧＨ/CMPLOＷ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。
Figuｒe6、 CSDWavｅformＣhangｅsWitｈFingｅr Ａbsent/Pｒesｅnt
图6在手指接触与手指离开得情况下,ＣSD波形得变化
与固定时钟源相比,PＲＳ更能有效降低噪声。
推荐采用３90０ｐF 得 CMOD值。
RB要求调谐至sｅｎsｏr以获得最佳性能,其值大约为5Ｋ-１0K。
推荐将 560欧姆得串联电阻与所有 CapSenｓｅ输入串联以避免 RＦ干扰。
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2、Hoｗ tｏＤesignCapSｅnsePｒiｎtｅdCircuitBｏards
2、如何设计 ＣapSｅnsｅ印刷电路板
在典型CapSeｎｓｅ应用中，可通过印刷电路板（ＰＣB）得布线来形成电容感应。
下列指南说明了如何设计ＣａpSensePCＢ（见参考书目[２］）。
２、1、布线布局指南
电路板面积:
CａｐSensｅ 所需得电路板面积只比感应区自身稍大。
Ｓensor周围得电场非常局限,尤其将接地层与Sｅnsor铜箔置于相同得 PCB 层上时更为如此。
PSｏC布局：
使ＰSoＣ与Senｓｏr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CａpSｅｎse Ｓｅｎsoｒ置于顶层上。
板层:
最常见得PCB为双板层,Sｅnｓｏｒ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层得Senｓor，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７板级空间有限时，CaｐSｅnse 电路扳得四层布板情况
电路板厚度:
目前发现基于ＦＲ4得设计可采用得标准电路板厚度为0、020"
（０、5mｍ）、0、047"
（1、2mm）与0、063"
（1、6mm）。
那么电路板多薄才合适呢?
一个经验法则就就是Ｓeｎｓor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Sｅnsor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CaｐSenｓｅ 产品中,用于滑条得最长走线就是9"
（２30 mｍ）,而用于按钮得最长走线就是１2＂ （300 mm）。
（这个极限值示例要求更大得Seｎsor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SeｎsorCP,并且会增加耦合至其她层上得元件。
０、0０６5"
－ 0、０08"
（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CapSｅnse 输入得走线保持一致以最小化ＣP。
可在Ｓeｎsoｒ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Sｅnｓor得任何位置（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。
就是减小通讯信号走线与Ｓeｎｓor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Ｐ1[０] 与P1[1]用于编程与 I2Ｃ,并且如果没有其她引脚可用就应该仅用于CaｐＳensｅ。
铺地层：
为了使CＰ 最小化,推荐在Sensor层上进行4０％得铺地,而非Ｓｅnsor层则进行６0-80%得铺地。
图9最小化CP得部分铺地
覆盖物厚度:
表1针对 PSoＣCapSenｓe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εr≈８,而塑料得介电常数εr≈2、5。
对于相同水平得灵敏度,根据 εｒ /2、5 得比率就能估算出塑料覆盖物得厚度。
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１针对CaｐＳensｅ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 1０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１0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。
３Ｍ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４６7MP与468MP。
手套:
如果Sensoｒ必须在戴手套得情况下工作,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。
ＬＥD背光：
CapSensｅ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PＣＢ上有多个ＰSoＣ:
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CaｐSense组之间发生耦合。
2、2、按钮
按钮得功能就是判断导体就是否存在。
ＣapSeｎｓｅ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１１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 ＣP反而会降低。
CP与间隙得曲线关系示例如图１2所示，图1２还显示了三种按钮尺寸（直径5ｍm、10ｍｍ与15ｍm）得情形。
图1２CＰ为按钮接地间隙与按钮直径得一个函数（０、062"
厚度， FR４）
保护性覆盖物越厚,按钮直径就应越大。
图1３显示了按钮直径得使用指南。
对于1mｍ 厚得有机玻璃覆盖物,推荐得按钮直径就是 9mｍ。
图１３按钮直径与覆盖物厚度得关系
2、3、滑条
滑条就是一个Sensoｒ阵列。
相邻电容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（sｌiderｓｅgmｅｎt）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 ＩＯ 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Ｓensor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PSｏC感应滑条段数量翻倍。
CapＳeｎse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，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 CａpＳenｓe 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、４、触摸板
CapSeｎse 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1５ 利用两个CapSeｎse滑条实现触摸板,一个用于X轴,一个用于Y 轴
CapSｅｎｓe 触摸板得典型示例就就是有着20列滑条（X 轴）与１0行滑条（Y轴）得设计。
总共要将30个引脚用于CapSeｎse输入。
活动区域得尺寸为3、９"
x１、9"
（99ｍm x47mm）,覆盖物为0、０1０"
（0、25 mｍ） 得 AＢＳ塑料层。
行与列Sensor之间留有0、2"
（５ ｍｍ）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 （ＳNR）。
设置中心点算法即可确定每个行对与列对之间得２0个位置,该触摸板系统得分辨率每英寸计数 （ＣPI）为１00。
2、５、接近式感应
CapSｅnse 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CａpSｅｎse 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CapSｅnsｅ PCB 上得按钮与滑条连接至单一得大Senｓor,这就是实施接近式感应得另外一种技术。
图16接近式感应原型得后视图
2、6、 柔性电路
柔性电路能很好适用于 CaｐSｅnse。
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、０1"
（0、２５mm）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Kａpｔoｎ 材料（29０KV/mm）可提供高击穿电压。
2、７、 ITＯ触摸屏
IＴO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。
ＩTO触摸屏得示例如图1７所示。
ITO薄膜得电阻率范围为0、25－1000欧姆/平方,并且其典型值介于１０0-５０0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（<
７5%）得四层板解决方案。
电容式可使用手指作为导体。
该模式就是一种具有较高透明度（>
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17ＩTO触摸屏
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3、从概念到生产:
CapＳensｅ 工具与技术
3、１、 评估板与示例
图 １8ＣY3212-CapSeｎsｅ 培训评估板
如图18所示,CY３212板就是一款用于 CapSensｅ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。
此处得代码示例其目得就是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sensｏｒ并将结果保存到I2Ｃ 阵列中。
代码1
3、2、 基准线技术
Bａsｅlｉｎｅ就是用于ＣapSensｅ测量得参考线。
每个电容式Senｓor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CaｐSeｎｓe用户模块得基准线进行比较、计算得出。
可ＩIR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 19 Baseｌｉne就就是CaｐＳｅnse 数据得基准线,该数据不断更新
3、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。
ＣapＳense 用户模块具有从 －４0º
C 到+85º
C得特征,如图2０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Sensｏｒ上时,ＣapSｅｎｓe 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Sｅｎsoｒ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Seｎsoｒ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。
ＣａpSensｅ在置于水中或持续得水流流经Senｓor得情况下,将无法正常工作。
３、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,CａpSense工作时间就会越长（见参考书目[３]）。
可对 PＳoC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,PＳoC得优势之一就是其可编程性。
用户可根据需要，使ＣａpＳeｎse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。
CapSeｎse 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５0μA。
3、5、噪声过滤
通过传导与辐射源会将噪声引入到CapSｅnse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CapＳｅｎsｅ系统得信噪比（SＮR）。
PｓoC仅仅需要几行代码就能够实施FIＲ与IIＲ数字滤波器。
ＦＩR 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（ＬＰF） 就成为一种非常高效得噪声过滤解决方案。
FIRLPF可定义如下:
ｙ ＝（x1+x2+ …+ xＮ ）／ 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 50Hz得噪声环境下,采样周期必须为１8ms/N。
ＦIR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Ｎ值尽可能大。
IＩＲ 滤波器:
FIR 滤波器在这方面得不足之处就是它需要采用比IIＲ 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,IＩＲ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２ 低通滤波器FＩR与ＩIR得比较
3、６、RF抗干扰性考虑因素
ＲF可干扰任何电容感应系统得运行,包括CaｐSenｓe（见参考书目［４］）。
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钮触摸感应。
蜂窝电话就就是很好得例子,其将ＲF 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１/６波长距离得电场强度可通过公式（２）近似得出。
E[伏特/米］=电场
P[ｄBm］ ＝供给天线得RF功率
D[英寸］=天线至感应Seｎsor得距离
对于在 +2８dＢm（0、6W）功率下发射信号得８00MHz蜂窝电话,距离天线3＂得电场可估算出大约为60V/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 PSｏC 来运行CapＳeｎse内部得二极管以保护PＳｏC免受ESD事件影响,最高可达 2 KV。
图2１ PSoC输入端得二极管可提供ＥＳD保护
走线得谐振效应可形成接收器天线。
四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
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对于低电平得 RＦ信号,CapSｅｎse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ＲF功率增加时,ＣapＳense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。
ＲF信号为交流信号，但就是由于 CapSeｎse输入端上二极管得作用使得对CａpＳeｎsｅ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。
CａｐSeｎse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:
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