电容传感实现非接触测量背后的CDC技术

电子发烧友网报道（文/李宁远）电容式传感依靠CDC技术，成为一种低功耗、低成本且能实现高分辨率的非接触式感测手段，在汽车、工业、医疗等领域有着很多应用场景，适用于接近检测、手势识别、远程液位感测等各种传感场合。现在的电容式传感是一种高度灵活而又低成本的传感设计方案，在热门领域铺开了不少应用。
 
电容传感的非接触式感测
 
电容式传感器是以电容作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容变化量的一种转换装置，在位移、角度、振动、速度、压力等方面的测量应用颇多。比如湿度传感，现在高精度的湿度传感一般都会首选电容式传感。
 
因为电容式湿度传感线性化程度很高，不需要进行线性补偿，在低湿范围里灵敏度很好。加之通过改变构造能在薄膜结构里将电容值做大，比起其他湿度传感来说响应速度也更快。电容式非接触式的测量很符合现在的传感趋势，而且电容式IC易集成的特性也能方便匹配各种检测需求。
 
现在汽车应用里的离手检测HoD主流技术路线也是用电容来做，通过准确的测量不同的抓握姿势和其他材料接触方向盘所产生的电容值，对方向盘状态做精准的判断。离手检测很吃电容传感芯片的性能，尤其是电容数字转换器，其分辨率会影响到实际检测最后的精度。
 
电容传感虽然是非线性的，不进行线性补偿的话存在一定局限性，但是在高分辨率的电容数字转换器的帮助下，结构简单、动态响应好还能实现非接触测量，是一类很实用的高精度传感器。
 
电容传感背后的CDC
 
实现电容式传感的背后是CDC技术，也就是电容数字转换技术。在需要高分辨率的传感器中一般都有Delta Sigma架构ADC进行模拟和数字信号的转换。本质上Delta Sigma架构ADC是利用电荷平衡电路，将已知的基准电压和未知的输入电压施加在电容上，通过电荷平衡来确认未知电压。
 
而在Delta Sigma型CDC中，未知的是电容，将已知的激励电压加到输入上，通过电荷平衡检测未知电容的变化。简单来说，电容数字转换器CDC通过改进后的Delta Sigma型ADC输入级，检测未知的电容并将其转换成数字量，其中很重要的一点是，CDC可以保留原Delta Sigma型ADC的分辨率和线性度，直接测量连接输入端的电容。
 
可以说CDC是专为激励电容式触摸传感器设计的，具有低功耗、高集成度、高精度测量的器件，已成为电容传感器应用的主流。
 
CDC的加持，让电容传感在汽车和工业系统里有了很大的用武之地。以往的电容传感不好控制，难以读取数据这些缺点在CDC的帮助下不再是制约因素。这一点从现在汽车里越来越多带触控功能的设备就能看出来。高分辨率高动态范围的电容数字转换器能感测到极微小的电容变化，触控灵敏度大幅提升，大大增强了电容传感器在支持手势运动和触摸功能上的应用。
 
传感器的灵敏度同样受噪声敏感性影响很大，现在的CDC都会在EMI上做额外的增强。比如内置噪声抑制机制、新的基于窄带的创新型抗EMI架构，能对噪声和干扰进行高度抑制，保证器件在高速条件下提供高分辨率。
 
如果CDC能支持更宽的激励频率，那么灵活性会更高，在电容传感应用到检测液体上时会更可靠。
 
小结
 
目前CDC的快速响应时间有了进一步提高，应用CDC能将电容传感的灵活性提升不少，满足不同的动态和精度的要求。在CDC的加持下，电容传感器得以在非消费领域的各类应用中实现高性能的触控技术。