家電產(chǎn)品的電容式觸控感應(yīng)技術(shù)

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1、CapacitiveSensinginWhiteGoodsApplications家電產(chǎn)品的電容式觸控感應(yīng)技術(shù)By(RyanSeguine,PSoCCapSense產(chǎn)品行銷工程師,賽普拉斯半導(dǎo)體)ExecutiveSummaryWithalltheexcitementaboutcapacitivesensingintheportablemediaplayer,laptopPCandmobilehandsetmarkets,itiseasytoforgetthatsuchinterfacetechnologieshavebeenactivelydesigned

2、intoWhiteGoodsapplicationsforyears.Significantimprovementsinsensingalgorithmsandcontrolcircuitryhaveexpandedthesuiteofapplicationsinwhichthetechnologycanbeimplemented.Designersareseeingthevalueofcapacitivesensingasamechanicalbuttonandmembraneswitchreplacementaswellasdiscoveringnew,

3、excitingapplicationssuchastouchscreensandproximitysensors.近來在可攜式媒體播放器、筆記型電腦、手機(jī)市場(chǎng)中陸續(xù)出現(xiàn)的各項(xiàng)令人感到興奮的電容式感測(cè)技術(shù)之應(yīng)用，讓人幾乎忘了這類介面技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用於家電用品的設(shè)計(jì)中許多年了。感測(cè)演算法與控制電路兩方面的重大進(jìn)展，讓這項(xiàng)技術(shù)適用於更多的應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)計(jì)人員看到了電容式感測(cè)技術(shù)的價(jià)值所在—不僅可取代機(jī)械式按鍵與膜片開關(guān)；並可適用於各項(xiàng)新穎的應(yīng)用，如：觸控式螢?zāi)慌c近距感測(cè)器等。感測(cè)感感感測(cè)電容測(cè)測(cè)電容電容式感測(cè)器是由導(dǎo)體片、接地面、與控制器所構(gòu)成。在多數(shù)的應(yīng)用中，

4、導(dǎo)體片會(huì)用一片銅製電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容(CP)。當(dāng)其他如手指頭等導(dǎo)電物體接近感測(cè)器時(shí)，隨著該物體的電容值(CF)增加，系統(tǒng)的電容值也隨之增加。(如圖1)圖圖圖1.當(dāng)手指頭接近感測(cè)測(cè)測(cè)器測(cè)器器器時(shí)時(shí)，電容值之隨之變化要偵測(cè)由CF造成電容值增加的方法有好幾個(gè)。場(chǎng)域效應(yīng)(FieldEffect)量測(cè)方法中，在感測(cè)電容器與系統(tǒng)參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監(jiān)測(cè)電流在分壓器上的改變可以感測(cè)到手指觸碰時(shí)所產(chǎn)生的電容值變化。電荷轉(zhuǎn)移(ChargeTransfer)則使用切換式電容器電路以及參考匯流排電容值，重覆進(jìn)行從較小的[+

5、]Feedback感測(cè)器電容器至較大匯流排電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移步驟。匯流排電容器上的電壓值與感測(cè)器電容值兩者之間存在著比例關(guān)係，因此在固定次數(shù)的步驟後量測(cè)電壓值，或藉由計(jì)算達(dá)到某一電壓臨界值所需的步驟次數(shù)，來決定該電容值。另外，弛張振盪器(relaxationoscillator)則是用量測(cè)充電時(shí)間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和感測(cè)器電容值所決定的。較大的感測(cè)器電容器需要較長的充電時(shí)間，這部份通常能運(yùn)用脈衝寬度調(diào)變器(PWM)與計(jì)時(shí)器來進(jìn)行量測(cè)。至於連續(xù)近似法(SuccessiveApproximation)也是量測(cè)電容充電時(shí)間的方法，不同的是

6、當(dāng)中的起始電壓是由連續(xù)近似法所決定的。以PSoC元件執(zhí)行的連續(xù)近似法(Cypress申請(qǐng)之專利)採用一組電容對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換器以及單斜率類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)。其電容值量測(cè)方式是先藉由將電容值轉(zhuǎn)換至電壓值，接著將該電壓值儲(chǔ)存於電容器內(nèi)，然後再利用可調(diào)式電流源來量測(cè)所儲(chǔ)存之電壓值。其中電容值對(duì)電壓值轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)，此電路系統(tǒng)讓感測(cè)器電容器可依其電容值反映出對(duì)應(yīng)的電壓值。切換式電容器所用的時(shí)脈則是由PSoC本身內(nèi)部的振盪器所產(chǎn)生。感測(cè)器電容器連接到類比多工匯流排上，並利用同樣連接匯流排的可編程電流輸出數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(iDAC)進(jìn)行充電。每個(gè)匯流排上

7、充電電量為q=CV。當(dāng)SW2為開路且SW1為閉路時(shí)，跨CX兩端的電位勢(shì)為零，且會(huì)減低匯流排上的電量，所減低的值與感測(cè)器的電容值成比例。這種充放電的動(dòng)作會(huì)一直重覆，此時(shí)感測(cè)器電容器也會(huì)成為匯流排上的電流負(fù)載。(如圖2)圖圖圖2.以以以PSoC元件執(zhí)行的連續(xù)近似法[+]Feedback藉由切換式電容器的電路運(yùn)作，iDAC就會(huì)以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出匯流排上恆定的電壓值有多少。該電壓值會(huì)影響切換式電容器的切換頻率、感測(cè)器電容值、以及iDAC的電流值。匯流排其實(shí)也等同於一個(gè)旁路電容器（bypasscapacitor），可以穩(wěn)定最終電壓。在匯流排上也可以增加額外的電容

8、器，以調(diào)整電路的行為與時(shí)序。1V=IXDACfCOS