电容检测原理

1、电容检测原理一些重要材料的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 36酒精 25.8云母 6玻璃 5大理石8硬纸 5 纸 2.3电缆胶皮化合物 2.5有机玻璃 3.汽油2.2硬橡胶4聚乙烯化合物2.9笨乙烯 石英玻璃 3.7陶瓷 4.4硅2.石蜡 2.2木材 2.7石英沙 4.5水 80 软橡胶 2pet 3.6oa 2224一、用sp43基于张弛震荡器的检测图就是使用s40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c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

2、馈的激励，所以其值在13vc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:fos 1/1386 rc csor当手指接触到触摸按键以后,显然，csenso的值将会被改变,于是osc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fsc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sensr的值已经被改变，即按键被“按下”了。二、msp430基

3、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（la)对电容c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,当其超过门限电压v后,c /o gpio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

4、里不再赘述。cypres方式11 c感应方式 s 是指 cpense 逐次逼近感应方式，只能在 c203psoc 系列器件中应用。 图 3 csa 结构图 图 3 显示了 ca的原理方框图，其工作流程如下: 开关 w1 和 sw2与 感应电容c 形成了一个开关电容网络,该网络可以等效为电阻。通过将dac 设置到校准电平并使 w1 和 sw切换，从而将 co 上的平均电压设定为随 cx值而变化的电平。另外可设置iac 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 r的斜坡电压的时间表示 c 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

5、指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要的 dc 设置，从而使co 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senso存储单独校准的 ida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（finge-asnt)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 00 p，而接近式感应则为 10 nf。推荐将60欧姆的串联电阻与所有 cape

6、se输入串联以避免rf 干扰。 图 在手指离开与手指接触的情况下，csa波形的变化分页 1. csd sening me 1. csd 感应方式 csdtans o capens with sigadlta a/. csd is mplemented inboththe cy2134 ad 8c49psc deice amilies.cd 是指capsnesigmadelt调制电容感应，其可在 cy8c2x34和 cy8c24x psc系列器件中应用。 fir 5. csd cnfigraionf cpsene图 cd 结构图、 图 5 显示了 sd的原理方框图,其工作流程如下: 开关 w1

7、和 s2 与 感应电容cx形成一个开关电容网络，从而在 vd 和 cmod 之间具有一个等效电阻。等效电阻的值由 cx 控制。w1 和w 的开关由prs 生成器的伪随机序列进行控制。sw3 工作时与 sw 和 sw2 不同步。将rb 切换至接地时,cmd 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 md 上相对于 vrf 的电压而更改状态。 可通过添加 16 位定时器形成 sgmea ad，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 mo。比较器将花费更多的时间在 migh状态上

8、,而 cmplw 状态的时间则会更少。如果 cmphigh/cmlw 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。fiur . csd wveform gs th fier bsenpesent 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，pr 更能有效降低噪声。推荐采用 30 pf 的 cd 值。rb 要求调谐至ensor以获得最佳性能,其值大约为 5k-0k。推荐将 50欧姆的串联电阻与所有 capsense 输入串联以避免 rf 干扰。分页 .h to designcapsneprinted circut boar

9、ds2、如何设计 cpse 印刷电路板 在典型 apsnse 应用中，可通过印刷电路板 (pb） 的布线来形成电容感应。下列指南说明了如何设计apsnse pcb（见参考书目 2)。 .1. 布线布局指南 电路板面积：asense 所需的电路板面积只比感应区自身稍大。senso周围的电场非常局限，尤其将接地层和sensor铜箔置于相同的 pb 层上时更为如此。pc 布局:使 psoc 与ssr之间的距离保持最小化是一个不错的做法。通常将 ps 与其他组件一起贴装到底层，而将asense sn置于顶层上。 板层：最常见的 pb 为双板层，eor和栅格地层位于顶层,而其他器件则处于低层。当板区必须

10、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enor下布线。 图 7 板级空间有限时，capense 电路扳的四层布板情况 电路板厚度：目前发现基于f4 的设计可采用的标准电路板厚度为 0.020 (0.5mm)、0.0 (1.2 mm) 和 0.063(1.6m)。那么电路板多薄才合适呢?一个经验法则就是snor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senso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 casene 产品中

11、,用于滑条的最长走线是 9 (23 m)，而用于按钮的最长走线是 2(00 m)。（这个极限值示例要求更大的ssor和更薄的覆盖物,以最大化来自senor的信号。）走线宽度将添加至sesor ,并且会增加耦合至其他层上的元件。.00 - 0.0 (0.7 - .0mm） 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capense 输入的走线保持一致以最小化 cp。可在ssor上的任何位置进行过孔布置,如图 8 所示。 图 触摸板的过孔可以在sensr的任何位置(底层走线、顶层se) 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 i2 或 sp 主控制器。

12、如果需要让通讯信号走线与snso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senso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 p10 和 p11 用于编程和 i2c，并且如果没有其他引脚可用就应该仅用于cpsnse。 铺地层：为了使cp最小化，推荐在sor层上进行 40%的铺地，而非esor层则进行 6080 的铺地。 图9 最小化cp 的部分铺地覆盖物厚度:表 1 针对 soccapense 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 r8，而塑料的介电常数 r2.5。对于相同水平的灵敏度，

13、根据 r /2.5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casese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 1 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 1 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pc 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47p和 468m。 手

14、套：如果senor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2.5.5 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。 le 背光：capsene 能够与 d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 cb 上有多个 pc：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 capsnse 的 poc。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 capsne组之间发生耦合。分

15、页 22 按钮 按钮的功能是判断导体是否存在。capsese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 c反而会降低。p 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、10mm和15m）的情形。图 12 cp 为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数(.02 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ens

16、or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 (liersemet) 必须足够小以便于多个片段能与手指接触,如果足够大的话,就会产生通过覆盖物所需的信号电平。锯齿形状很适合于滑条，滑条段最好有5 个或以上。滑条的最大长度只受到 poc 中可用 io 引脚的限制。典型的滑条形状如图14 中所示。上面每个滑条片段的条形图代表了sensor输出。 图 14使用滑条产生的锯齿图案 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 psc 引脚上就能使 psoc 感应滑条段数量翻倍。capsese用户模块向导支持用户选择这种接法并

17、将其作为引脚分配的选项,并且用户模块ap能正确地确定手指所触摸的半边滑条。请注意，将每个 cpsense 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 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的滑条使用。所有适用于滑条的指南同样也适用于触摸板。图 5利用两个 capese 滑条实现触摸板,一个用于 x 轴，一个用于 轴 capsns 触摸板的典型示例就是有着 0列滑条(x 轴)和 10行滑条(y轴)的设计。总共要将30 个引脚用于 apens 输入。活动区域的尺寸为 3.9x 1.9 ( mm x 47mm），覆盖物为 0.00

18、(0.2 mm) 的 ab 塑料层。行和列seor之间留有02 ( mm） 的间距。基准线噪声电平在手指离开状态下是单一的计数。手指在触摸板上会产生 15个计数的差分信号，这会导致24db 的信噪比 (sn）。设置中心点算法即可确定每个行对和列对之间的 20 个位置，该触摸板系统的分辨率每英寸计数 （pi)为 10。 2. 接近式感应 capsene 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 和计数差值小的 capense 按钮来实现。专用接近式感应的最佳实施办法是作为单一的线路长度，如图 1 所示。把 capsense pcb 上的按钮和滑条连接至单一的大sensor，这

19、是实施接近式感应的另外一种技术。 图 6接近式感应原型的后视图 2. 柔性电路 柔性电路能很好适用于capsene。在印刷电路板中提到的所有相同的指南同样也适用于柔性电路。柔性电路通常比 cb 要薄一些。通过使用不薄于 .1(0.25 mm) 的柔性电路来限定p,并且可将走线长度限制为几英寸。柔性电路的一个良好特性是kapon 材料(0 km）可提供高击穿电压。 2.7it 触摸屏 ito 是铟锡氧化物的英文缩写。这种陶瓷材料的薄膜不仅可以导电,而且非常透明。to 触摸屏的示例如图 17所示。to 薄膜的电阻率范围为 .25100欧姆/平方,并且其典型值介于 00500欧姆/平方之间。薄膜的厚

20、度决定了电阻率。材料越薄,通过的光线就越多,其产生的电阻也会越大。反之，材料越厚,通过的光线就越少，其产生的电阻也会越小。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，更容易磨损和破裂。这种模式是一种具有较差透明度(90%）的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 t触摸屏分页3. 从概念到生产：apsense 工具和技术 3.1. 评估板和示例 图cy3212-psense 培训评估板 如图 1所示，y22 板是一款用于capee应用开发的评估板。应用固件上写有“c”字样。通用功能库使得项目开发就和写入几行代码一样

21、的简单。 此处的代码示例其目的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 as是用于 cpsense 测量的参考线。每个电容式senor都有其自身的基准线。对电容式enor数据来说,baselne就是一种基准线,这些数据可通过 capsese用户模块的基准线进行比较、计算得出。可ii低通滤波器来处理原始计数数据，如图 19 所示。例如手指接触和手指离开状态，都是基于基准线建立的参考电平。 图 19aseie就是 cpsens 数据的基准线，该数据不断更新3. 环境影响 温度和湿度：温度和湿度都会导致基准线计数随时间漂移。capsens

22、用户模块具有从-0c 到 +8c 的特征，如图0 所示。由基准线所追溯的趋势可自动补偿温度和湿度所造成的不良影响。 图 0 混度变化（原始计数会随温度漂移，湿度也具有相似的影响)水:当覆盖物上出现雾状沉淀或者有小水滴溅到sensor上时，apsne仍然能够可靠运行。可通过灵巧的机械设计来处理有水情况。设计senr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sens外面区域的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的形成。 capsense在置于水中或持续的水流流经ser的情况下， 将无法正常工作。 3功耗和休眠电池使用寿命以毫安/小时表示。平均电流越低,apene

23、工作时间就会越长(见参考书目3)。可对 soc进行编程以使其具有不同的功耗模式。 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的模式。 长时间没有动作时,处于深度休眠模式。与其他电容感应解决方案相比,psoc 的优势之一是其可编程性。用户可根据需要，使 casese进入省电模式。capene 按钮的响应速度非常之快,每扫描一次按钮仅需 00 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的平均电流。apsense 系统的一个实例是处于省电且缓慢响应模式时,可每 00毫秒对三个按钮扫描一次,而其消耗的平均电流不足 50 a。 3. 噪声过滤 通过传导和辐

24、射源会将噪声引入到 csen 系统中。传导性噪声可通过电源和信号线路进入系统。蜂窝电话或荧光灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类型的噪声都存在时,固件中的过滤技术可用于增大capese 系统的信噪比 （snr）。psoc 仅仅需要几行代码就能够实施fir和 r 数字滤波器。 fir 滤波器：与电源线路噪声的频率相比,手指触按事件的频率会偏低。在此情况下,低通滤波器 (lpf) 就成为一种非常高效的噪声过滤解决方案。firpf 可定义如下: y = （ 1 + 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 50 z 的噪声环境下，采样周期必须为 1 mn。fir 滤波器的性能会随着 的次数增加而提高，因此只要系统允许就应使 值尽可能大。 r 滤波器：fir滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比 ir 更高阶的滤波器才能获得相同的结果。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 pf 来说,ir 滤波器是