構(gòu)建可靠的容性傳感器汽車開關(guān)和控制接口

容性傳感器的容值范圍通常是50fF到20pF，使精確檢測小的容值變化很困難，因而需要合適的模擬接口。跟傳統(tǒng)的機械開關(guān)一樣，用戶接觸容性傳感器的體驗直接與傳感器在各種可靠性條件下對接觸的響應(yīng)方式靈敏度有關(guān)。本文介紹一些目前常見的容性傳感器模擬前端測量技術(shù)，目的是開發(fā)高品質(zhì)且可靠的容性傳感器接口。

容性傳感器的靈敏度由其物理設(shè)計、用于測量電容的方法和相對于預(yù)設(shè)接觸門限電平精確比較容值變化的能力。

利用傳統(tǒng)的印刷電路板工藝制造出來的容性傳感器，通常容值在50fF到20pF范圍內(nèi)，使檢測容值的微小變化很困難。雖然有若干方法來測量這些微小的容值，但是，利用配備16位容性-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高精度測量技術(shù)，所帶來的好處很大。

容性傳感器可以設(shè)計在傳統(tǒng)的低成本印刷電路板上，也可以利用跟信號走線一樣的銅材在標準的印刷電路板或柔性印刷電路上開發(fā)容性傳感器。在兩種情況下，傳感器的最大靈敏度由傳感器的物理尺寸和塑料絲印化合物的介質(zhì)常數(shù)來確定，包括耗散因數(shù)、絲印材料的厚度。例如，具有5mm塑料絲印的3mm直徑傳感器就比具有2mm塑料絲印的6mm直徑傳感器的靈敏度要小。

目標是開發(fā)具有正確響應(yīng)和滿足人類環(huán)境學(xué)要求的容性傳感器。在一些應(yīng)用中，傳感器可能外形要小，結(jié)果，用戶接觸引起的容值變化也小。圖1和圖2描述了在電路板上設(shè)計容性傳感器的普通方法。

圖1：考慮了場結(jié)構(gòu)的容性傳感器設(shè)計。

圖2：另一種容性傳感器設(shè)計方法。

上圖顯示了當用戶接觸傳感器時，在激勵作用下的傳感器行為。在這兩種方法中，傳感器電容依賴用戶接觸而變化的方式不同；但是，在兩種情形下傳感器的性能是可以比較的。

激勵容性傳感器

圖1中的例子把一個連續(xù)的250KHz激勵方波作用在傳感器的源端(SRC)，以建立容性傳感器的電場。激勵在傳感器中所創(chuàng)建的電場，有一部分穿越絲印的塑料。電容輸入端(CIN)被連接到電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入。

如圖2所示為另一種容性傳感器設(shè)計的例子。把恒流源作用在傳感器的端口A，端口B接地。當用戶接觸傳感器的時候，手指電容就會疊加上去。結(jié)果增加了充電周期期間的RC上升時間。

測量容性傳感器和探測傳感器的接觸

測量電容的傳統(tǒng)方法如圖3所示。

圖3：測量電容的傳統(tǒng)方法是利用比較器和555計數(shù)器。

恒流源把容性傳感器持續(xù)充電到比較器的參考門限電平。每當容性傳感器達到參考門限電平，比較器就變高；該高電平關(guān)閉開關(guān)，給電容放電并將計數(shù)器復(fù)位，如圖4所示。

圖4：傳統(tǒng)的比較器和555定時器/計數(shù)器的靈敏度門限電平。

通過對容性傳感器充電到比較器上的參考電平(REF)所用的時鐘周期進行計數(shù)，就可以確定用戶接觸傳感器的時間。該數(shù)值然后與預(yù)置的門限檢測設(shè)置比較，例如，計數(shù)值為50表示傳感器接觸；而計數(shù)值小于50可能表示沒有接觸。在本例中，當用戶接觸傳感器時，測量的準確性和精度與參考時鐘的頻率有關(guān)，并與在寬廣的容性傳感器數(shù)值范圍上電流源的可重復(fù)性有關(guān)。

測量電容的最佳辦法如圖5所示，其中采用了高分辨率16位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和250KHz激勵源。

圖5：AD7142模擬前端。

激勵源是一個連續(xù)輸出的250KHz方波，它在容性傳感器中建立電場和穿越絲印材料的電力線。無論何時用戶接觸傳感器，精密的16位ADC都能夠以1fF的測量分辨率進行檢測。不需要用外部元器件進行調(diào)節(jié)，自動校正功能確保不會因為溫度或濕度變化而出現(xiàn)故障或?qū)σ恍┯|摸不計數(shù)。

容性傳感器的輸出數(shù)據(jù)被數(shù)字化之后，通過設(shè)置相應(yīng)的16位寄存器，可以方便地分別對每一個傳感器的檢測門限電平進行編程。門限電平可以被大約編程為傳感器滿量程(FS)輸出值的25%和95.32%，如圖6所示。

圖6：設(shè)置AD7142靈敏度門限制電平。

可靠的容性傳感器源于模擬前端，它必須測量由用戶接觸容性傳感器引起的小的輸出變化。新型的高集成電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器集成了具有低功耗、高分辨率∑-σ轉(zhuǎn)換器的高性能模擬前端，讓容性傳感器系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠從最新的混合信號技術(shù)進展中獲益匪淺。