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构建可靠的容性传感器汽车开关和控制接口

导语：本文介绍一些目前常见的容性传感器模拟前端测量技术，目的是开发高品质且可靠的容性传感器接口。

容性传感器的容值范围通常是50fF到20pF，使精确检测小的容值变化很困难，因而需要合适的模拟接口。跟传统的机械开关一样，用户接触容性传感器的体验直接与传感器在各种可靠性条件下对接触的响应方式灵敏度有关。容性传感器的灵敏度由其物理设计、用于测量电容的方法和相对于预设接触门限电平精确比较容值变化的能力。利用传统的印刷电路板工艺制造出来的容性传感器，通常容值在50fF到20pF范围内，使检测容值的微小变化很困难。虽然有若干方法来测量这些微小的容值，但是，利用配备16位容性-数字转换器的高精度测量技术，所带来的好处很大。容性传感器可以设计在传统的低成本印刷电路板上，也可以利用跟信号走线一样的铜材在标准的印刷电路板或柔性印刷电路上开发容性传感器。在两种情况下，传感器的最大灵敏度由传感器的物理尺寸和塑料丝印化合物的介质常数来确定，包括耗散因数、丝印材料的厚度。例如，具有5mm塑料丝印的3mm直径传感器就比具有2mm塑料丝印的6mm直径传感器的灵敏度要小。目标是开发具有正确响应和满足人类环境学要求的容性传感器。在一些应用中，传感器可能外形要小，结果，用户接触引起的容值变化也小。图1和图2描述了在电路板上设计容性传感器的普通方法。

图1 考虑了场结构的容性传感器设计

图2 另一种容性传感器设计方法

上图显示了当用户接触传感器时，在激励作用下的传感器行为。在这两种方法中，传感器电容依赖用户接触而变化的方式不同；但是，在两种情形下传感器的性能是可以比较的。激励容性传感器图1中的例子把一个连续的250KHz激励方波作用在传感器的源端（SRC），以建立容性传感器的电场。激励在传感器中所创建的电场，有一部分穿越丝印的塑料。电容输入端（CIN）被连接到电容-数字转换器的输入。如图2所示为另一种容性传感器设计的例子。把恒流源作用在传感器的端口A，端口B接地。当用户接触传感器的时候，手指电容就会叠加上去。结果增加了充电周期期间的RC上升时间。测量容性传感器和探测传感器的接触测量电容的传统方法如图3所示。

图3 测量电容的传统方法是利用比较器和555计数器

恒流源把容性传感器持续充电到比较器的参考门限电平。每当容性传感器达到参考门限电平，比较器就变高；该高电平关闭开关，给电容放电并将计数器复位，如图4所示。

图4 传统的比较器和555定时器/计数器的灵敏度门限电平

通过对容性传感器充电到比较器上的参考电平（REF）所用的时钟周期进行计数，就可以确定用户接触传感器的时间。该数值然后与预置的门限检测设置比较，例如，计数值为50表示传感器接触；而计数值小于50可能表示没有接触。在本例中，当用户接触传感器时，测量的准确性和精度与参考时钟的频率有关，并与在宽广的容性传感器数值范围上电流源的可重复性有关。测量电容的最佳办法如图5所示，其中采用了高分辨率16位模拟-数字转换器（ADC）和250KHz激励源。

图5 AD7142模拟前端

激励源是一个连续输出的250KHz方波，它在容性传感器中建立电场和穿越丝印材料的电力线。无论何时用户接触传感器，精密的16位ADC都能够以1fF的测量分辨率进行检测。不需要用外部元器件进行调节，自动校正功能确保不会因为温度或湿度变化而出现故障或对一些触摸不计数。容性传感器的输出数据被数字化之后，通过设置相应的16位寄存器，可以方便地分别对每一个传感器的检测门限电平进行编程。门限电平可以被大约编程为传感器满量程（FS）输出值的25%和95.32%，如图6所示。