【技术专辑】实现电容式触摸传感的电路和技术

本文介绍了一些基本的电容检测电路配置,并讨论了如何处理低频和高频噪声。

 

支持信息

 

•电场和电容

 

•影响电容的因素

 

•运算放大器振荡器电路

 

•正反馈

 

衡量变化

 

如果您已经阅读了上一篇文章,您就会知道电容式触摸传感的本质是当物体(通常是人的手指)接近电容器时发生的电容变化。手指的存在通过以下方式增加电容:1)引入具有相对高介电常数的物质(即人肉)和2)提供导电表面,该导电表面与现有电容器并联产生额外电容。

 

当然,电容变化这一事实并不是特别有用。为了实际执行电容式触摸感应,我们需要一种能够以足够的精度测量电容的电路,以始终如一地识别由手指的存在引起的电容增加。有很多方法可以做到这一点,有些方法非常简单,有些则更为复杂。在本文中,我们将介绍实现电容感应功能的两种通用方法; 第一种是基于RC(电阻 - 电容)时间常数,第二种是基于频率的变化。

 

RC时间常数 - 像一个老朋友

 

如果你像我一样,当你看到代表充电或放电电容两端电压的指数曲线时,你会感受到大学怀旧的模糊感受。有一些关于它 - 也许这是我第一次意识到更高的数学实际上与现实有某种关系,或者在这个葡萄收获机器人的时代,有一些关于放电电容器的简单性的吸引力。无论如何,我们知道当电阻或电容发生变化时,这种指数曲线会发生变化。假设我们有一个由1MΩ电阻和电容式触摸传感器组成的RC电路,典型的无指电容为10 pF。

 

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我们可以使用通用输入/输出引脚(配置为输出)为传感器电容充电至逻辑高电压。接下来,我们需要电容器通过大电阻放电。重要的是要了解您不能简单地将输出状态切换为逻辑低。配置为输出的I / O引脚将驱动逻辑低信号,即它将为输出提供与地节点的低阻抗连接。因此,电容器将通过这种低阻抗快速放电 - 如此迅速,以至于微控制器无法检测到由电容的微小变化所产生的细微时序变化。我们需要的是一个高阻抗引脚,它可以强制几乎所有电流通过电阻放电,这可以通过将引脚配置为输入来实现。因此,首先将引脚设置为逻辑高电平输出,然后通过将引脚更改为输入来启动放电阶段。产生的电压看起来像这样:

 

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如果有人触摸传感器并因此产生额外的3 pF电容,则时间常数将增加,如下所示:

 

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根据人类标准,放电时间并没有太大差异,但现代微控制器当然可以检测到这种变化。假设我们有一个时钟频率为25 MHz的定时器; 当我们将引脚切换到输入模式时,我们启动定时器。我们可以使用此定时器通过配置相同的引脚来跟踪放电时间,以用作启动捕获事件的触发器(“捕获”意味着将定时器值存储在单独的寄存器中)。当放电电压超过引脚的逻辑低阈值(例如0.6 V)时,将发生捕获事件。如下图所示,放电时间与0.6 V阈值的差值为ΔT=5.2μs。

 

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定时器时钟源周期为1 /(25 MHz)= 40 ns,此ΔT对应130个标记。即使电容的变化减少了10倍,我们仍然会在未接触的传感器和触摸的传感器之间产生13个差异。

 

因此,这里的想法是在监测放电时间的同时反复对电容器充电和放电; 如果放电时间超过预定阈值,则微控制器假定手指已与触敏电容器“接触”(我将“接触”置于引号中,因为手指实际上从未触及电容器 - 如前所述文章中,电容器通过阻焊膜和设备的外壳与外部环境隔开。然而,现实生活比这里提出的理想化讨论要复杂一些; 错误来源将在下面的“处理现实”部分中讨论。

 

可变电容,可变频率

 

在基于频移的实现中,电容传感器用作RC振荡器的“C”部分,使得电容的变化引起频率的变化。输出信号用作计数器模块的输入,该计数器模块计算在特定测量周期内发生的上升沿或下降沿的数量。当接近的手指引起传感器的电容增加时,振荡器的输出信号的频率减小,因此边缘计数也减小。

 

所谓的张弛振荡器是可用于此目的的常用电路。除触摸敏感电容外,它还需要几个电阻和一个比较器; 这似乎比上面讨论的充电/放电技术要麻烦得多,但如果你的微控制器有一个集成的比较器模块,那也不算太糟糕。我不打算详细讨论这个振荡器电路,因为1)它在别处讨论过,包括这里和这里2)当有许多微控制器和分立式IC提供高性能电容式触摸感应功能时,你似乎不太可能想要使用振荡器方法。如果您别无选择,只能创建自己的电容式触摸感应电路,我认为上面讨论的充电/放电技术更为直接。否则,通过选择带有专用帽感测硬件的微控制器,让您的生活变得更简单。

 

Silicon Labs 的EFM32微控制器中的电容感应外设是基于弛张振荡器方法的集成模块的示例:

 

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多路复用器允许振荡频率由八个不同的触敏电容器控制。通过快速循环通道,芯片可以同时有效地监控八个触敏按钮,因为微控制器的工作频率相对于手指移动的速度是如此之高。

 

面对现实

 

电容式触摸感应系统将受到高频和低频噪声的影响。

 

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高频噪声导致测量的放电时间或边缘计数中的样本到样本的微小变化。例如,上面讨论的无指状充电/放电电路可能具有675个刻度的放电时间,然后是685个刻度,然后是665个刻度,然后是670个刻度,等等。这种噪声的重要性取决于预期的手指引起的放电时间变化。如果电容增加30%,ΔT将为130刻度。如果我们的高频变化只有大约±10个滴答,我们可以很容易地将信号与噪声区分开来。

 

然而,电容增加30%可能接近我们可以合理预期的最大变化量。如果我们只得到3%的变化,则ΔT为13刻度,这太接近本底噪声。降低噪声影响的一种方法是增加信号的幅度,您可以通过减少PCB电容和手指之间的物理隔离来实现。但是,通常情况下,机械设计受到其他因素的限制,因此您必须充分利用所获得的信号幅度。在这种情况下,您需要降低本底噪声,这可以通过平均来实现。例如,每个新的放电时间可以不与先前的放电时间进行比较,而是与最后4或8或32次放电时间的平均值进行比较。

 

低频噪声是指无指纹传感器电容的长期变化; 这些可能是由环境条件引起的。这种噪音无法平均,因为变化可能会持续很长一段时间。因此,有效处理低频噪声的唯一方法是适应性:用于识别手指存在的阈值不能是固定值。相反,应该根据没有表现出明显短期变化的测量值定期调整,例如手指接近引起的变化。

 

结论

 

本文讨论的实现技术表明,电容式触摸传感不需要复杂的硬件或高度复杂的固件。尽管如此,它仍然是一种多功能,强大的技术,可以提供超过机械替代品的主要性能改进。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计