咨询应用工程师：电容传感器用于电子设备的人机接口

问：什么是电容传感器？

A：电容传感器在物体或某人接近或触摸传感器时检测电容的变化。该技术已在工业应用中使用多年，以测量液位、湿度和材料成分。一种被广泛使用的较新的应用程序是在人机界面中。机械按钮、开关和缓动轮长期以来一直被用作用户和机器之间的接口。然而，由于它们的许多缺点，界面设计师越来越多地寻找更可靠的解决方案。电容式传感器可以以与按钮相同的方式使用，但它们也可以具有更大的多功能性，例如，在实现 128 位置滚动条时。

ADI公司现已提供专为在人机界面应用中实现电容检测而设计的集成电路。例如，AD7142和AD7143分别可以激励和响应多达14个和<>个电容传感器。它们为电容传感器提供激励，感测由用户接近引起的电容变化，并提供数字输出。

问：电容感应如何工作？

答：基本传感器包括接收器和发射器，每个接收器和发射器都由在印刷电路板（PCB）层上形成的金属走线组成。如图1所示，AD714x具有片内激励源，该激励源连接到传感器的发送器走线。在接收器和发射器走线之间，形成电场。大部分磁场集中在传感器PCB的两层之间.然而，条纹电场从发射器延伸到PCB之外，并终止于接收器。接收器的场强由片内Σ-Δ电容数字转换器测量。当人手侵入边缘场时，电气环境会发生变化，一部分电场被分流到地上，而不是终止于接收器。由此产生的电容降低 - 与大部分电场的皮法法相比，飞法量级 - 由转换器检测到。

图1.感应电容。

一般来说，电容检测解决方案有三个部分，全部由ADI公司提供。

驱动器IC提供激励、电容数字转换器和补偿电路，以确保在所有环境中获得准确的结果。

传感器 - 具有走线图案的 PCB，例如按钮、滚动条、滚轮或某种组合。走线可以是铜、碳或银，而 PCB 可以是 FR4、柔性、PET 或 ITO。

主机微控制器上的软件，用于实现串行接口和设备设置，以及中断服务例程。对于滚动条和滚轮等高分辨率传感器，主机运行软件算法以实现高分辨率输出。按钮不需要软件。

图2.三部分电容检测解决方案。

问：电容式传感的优点是什么？

答：电容传感器比机械传感器更可靠，原因有很多。没有移动部件，因此传感器没有磨损，传感器由覆盖材料保护，例如 MP3 播放器的塑料盖。人类从不与传感器直接接触，因此可以将其密封，远离灰尘或溢出物。这使得电容传感器特别适用于需要定期清洁的设备（因为传感器不会被刺激性研磨清洁剂损坏）以及手持设备，其中意外溢出的可能性不可忽略。

问：请详细介绍AD714x IC的工作原理。

答：这些电容数字转换器专为人机界面应用中的电容检测而设计。这些器件的核心是一个16位Σ-Δ电容数字转换器（CDC），它将容性输入信号（由开关矩阵路由）转换为数字值。转换结果存储在片内寄存器中。片内激励源为250 kHz方波。

主机通过串行接口读取结果。AD7142，提供SPI或I级器件®2C 兼容接口，具有 14 个电容输入引脚。AD7143及其®2C 接口，具有 8 个电容输入引脚。串行接口以及中断输出允许器件轻松连接到任何系统中的主机微控制器。

图3.AD7142原理框图

这些器件可连接多达 14 个外部电容传感器，这些传感器排列为按钮、条形、轮子或传感器类型的组合。外部传感器由直接与IC接口的2层或4层PCB上的电极组成。

通过对片上寄存器进行编程，可以将这些器件设置为与任何一组输入传感器接口。寄存器还可以编程以控制每个外部传感器的平均值和失调调整等功能。片内时序控制器控制每个电容输入的轮询方式。

AD714x还包括片内数字逻辑和528字RAM，用于环境补偿。湿度、温度和其他环境因素会影响电容传感器的操作;因此，对用户透明地，设备执行连续校准以补偿这些影响，始终提供无差错的结果。

AD714x的主要特性之一是灵敏度控制，它为每个传感器赋予不同的灵敏度设置，控制用户触摸的柔和或硬度才能激活传感器。这些独立的激活阈值设置决定了传感器何时处于活动状态，在考虑不同尺寸传感器的操作时至关重要。例如，一个应用程序有一个直径为 10 毫米的大按钮和一个直径为 5 毫米的小按钮。用户希望两者都以相同的触摸压力激活，但电容与传感器面积有关，因此较小的传感器需要更硬的触摸才能激活它。最终用户不必比另一个按钮更用力地按下一个按钮才能获得相同的效果，因此为每个传感器提供独立的灵敏度设置可以解决此问题。

问：如何考虑环境？

答：AD714x连续测量传感器的电容电平。当传感器不工作时，测量的电容值存储为环境值。当用户靠近或触摸电容传感器时，测得的电容会减小或增加。阈值电容电平存储在片内寄存器中。当测得的电容值超过上限或下限阈值时，传感器被视为活动状态（如图4所示），中断输出被置位。

图4.传感器激活。

图4显示了环境电容值不变的理想情况。实际上，由于温度和湿度的变化，环境电容会不断且不可预测地变化。如果环境电容值变化足够大，则会影响传感器激活。在图5中，环境电容值增加;传感器 1 正确激活，但当用户尝试激活传感器 2 时，会发生错误。环境值增加了，因此传感器2测量的电容变化不足以使该值低于下限阈值。无论用户做什么，传感器 2 现在都无法激活，因为在这种情况下，其电容不能降低到下限阈值以下。更糟糕的可能性是环境电容水平继续增加，直到超过上限阈值。在这种情况下，传感器 1 将变为活动状态，即使用户尚未激活它，它将保持活动状态（传感器将被“卡住”），直到环境电容下降。

图5.通过改变环境电容激活传感器。

片内逻辑电路可处理环境电容电平变化的影响。如图6所示，阈值水平不是恒定的;它们跟踪环境电容电平的任何变化，与环境电平保持固定距离，以确保用户激活引起的电容变化始终足以超过阈值水平。阈值电平由片内逻辑自动调整，并存储在片内RAM中。不需要来自用户或主机处理器的输入。

图6.具有自动自适应阈值的传感器激活。

问：电容感应是如何应用的？

答：如前所述，传感器走线可以是任意数量的不同形状和大小。按钮、滚轮、滚动条、操纵板和触摸板形状可以作为迹线布置在传感器 PCB 上。图7显示了电容传感器布局的选择。

传感器图7.电容传感器的选择。

设计人员可以使用许多实现用户界面的选项，从简单地用电容式按钮传感器替换机械按钮，到通过使用具有八个输出位置的手柄或提供 128 个输出位置的滚轮来消除按钮。

使用单个设备可以实现的传感器数量取决于所需的传感器类型。AD7142具有14个电容输入引脚和12个转换通道。AD7143具有<>个电容输入和<>个转换通道。下表显示了每种传感器类型所需的输入引脚和转换级数。可以组合任意数量的传感器，直至达到可用输入和通道数量所确定的限制。

 

传感器类型	C 数在所需输入	所需的转换通道数
按钮	1	1（差分操作为 0.5）
8路开关	4 - 顶部、底部、左侧和右侧	3
滑 块	每段 8—1 个	每段 8—1 个
轮子	每段 8—1 个	每段 8—1 个
键盘 触摸板	每行 1 个，每列 1 个	每行 1 个，每列 1 个

 

以“循环”方式对所有连接的传感器按顺序进行测量。但是，所有传感器都可以在36毫秒内测量，基本上可以同时检测每个传感器的状态，因为用户需要非常快的时间才能在40毫秒内激活或停用传感器。

问：您可以为首次使用的用户提供哪些设计帮助？

答：ADI公司为电容传感器设计人员提供了大量资源。设计过程的第一步是确定应用中需要哪些类型的传感器。用户是否需要快速扫描长列表，例如听筒上的联系人或 MP3 播放器上的歌曲？如果是这样，请考虑使用滚动条或滚轮来允许用户快速有效地浏览这些列表。用户是否需要控制光标在屏幕上移动？X-Y 游戏手柄非常适合此应用程序。一旦所需传感器的类型、数量和尺寸固定好，就可以开始传感器PCB设计了。

作为可用于电容感测的设计资源的一部分，可在线获取 Mentor Graphics PAD 布局库。该库中有许多不同类型和尺寸的传感器作为组件提供，可以直接拖放到PCB布局中。该库可作为触摸控制器系统框图的交互式部分提供。此外，还提供AN-854，这是一份应用笔记，提供了有关如何使用传感器库快速布置所需传感器的详细信息、提示和技巧。

设计PCB时，将AD7142或AD7143与传感器放在同一电路板上，以最大程度地减少因连接器移动和电容变化而导致系统错误的可能性。其他元件、LED、连接器和其他 IC， 例如， 可以与电容传感器放在同一个 PCB 上， 但传感器 PCB 必须粘合或粘在覆盖材料上以防止传感器上方的气隙， 因此在 PCB 上放置任何其他组件都必须考虑到这一点.

对于关注RF噪声的应用，可以使用RC滤波器来最大程度地减少对传感器的干扰。在传感器周围使用接地层也将最大限度地减少任何干扰。

PCB可以有两层或四层。当传感器有效区域之外没有空间在IC和传感器之间布线时，必须使用4层设计，但如果有足够的布线空间，则可以使用2层设计。传感器走线和电容输入引脚之间允许的最大距离为 10 cm，但一个传感器在一个方向上可以距引脚 10 cm，而另一个传感器可以在相反方向上与引脚相距 10 cm，从而允许传感器之间保持 20 cm。

问：我的传感器PCB已经准备好了，现在怎么办？

答：众所周知，电容难以仿真，因此必须表征每种应用中的传感器响应，以确保AD7142/AD7143的设置针对该应用进行最佳设置。每个应用只需进行一次表征过程，然后对每个单独的产品使用相同的设置值。

传感器在应用中具有特性。这意味着任何覆盖材料都必须在传感器顶部就位，并且任何其他可能影响传感器性能的PCB或组件都必须在传感器周围就位。

对于每个转化渠道，我们需要配置：

来自设备 C 的内部连接在转换器的输入引脚。这可确保每个传感器使用一个转换通道连接到转换器。

传感器偏移值，转换为 C 的偏移散装.这是与限制在PCB内，发射器和接收器电极之间的电场相关的电容。当传感器处于活动状态时，该值不会改变，而是为测量条纹电容值提供恒定的偏移。

上限和下限失调寄存器的初始值。片内逻辑使用这些值来确定每个传感器的激活阈值。

执行特性鉴定的最简单方法是将传感器PCB连接到AD7142/AD7143评估板（ADI公司提供）。评估板上的微控制器和软件可用于表征传感器响应并保存设置值。

问：我可以期待什么样的回应？

答：传感器的实际响应由传感器从非活动变为活动时转换器的输出变化定义。此更改将取决于传感器的面积 - 传感器面积越大，传感器处于活动状态时的变化就越大。传感器响应还取决于覆盖材料的厚度——如果它非常厚（4 毫米或更大），传感器响应将最小。原因是电场不会穿透非常厚的覆盖材料，因此用户将无法将足够的磁场分流到地面以产生较大的响应。图8是按钮传感器的典型传感器响应。在这种情况下，它显示了传感器活动和非活动传感器之间大约 250 LSB 的变化。

图8.按钮传感器的典型响应。

问：你提到了软件？

答：主机处理器与AD7142/AD7143之间的交互由中断驱动。主机实现串行接口，SPI 或 I2C. 当触摸传感器时，AD7142/AD7143将中断主机。然后，主机可以从片内寄存器回读数据。如果传感器是按钮或其他简单的开/关型传感器，则主机只需从片上状态寄存器中读回;活动按钮导致在状态寄存器中设置位。但是，如果传感器具有高分辨率输出，则必须在主机中断例程中运行软件算法来处理AD7142/AD7143数据。

该代码免费提供给与ADI公司签署许可协议的客户。对于滚动条，代码通常占用 500 字节的数据存储器和 8k 字节的代码存储器。对于滚轮，代码通常占用 600 字节的数据存储器和 10k 字节的代码存储器。

ADI公司提供用C代码编写的示例驱动器，用于基本配置、按钮传感器和使用SPI和I的8路开关2C 兼容接口。签署软件许可证后，可提供滚轮和滚动条的示例驱动程序。

问：组装成品的想法？

答：传感器PCB和覆盖材料或产品外壳之间不允许有气隙，因为有一个气隙会导致更少的电场延伸到塑料以上，从而降低传感器响应。此外，塑料或其他覆盖材料可能会在接触时弯曲，导致用户与可变电场相互作用，并导致非线性传感器响应。因此， 传感器PCB应粘在覆盖材料上，以防止形成任何气隙.

此外，传感器周围不能有漂浮的金属。需要 5 厘米的“禁止”距离。靠近传感器的金属应接地超过 5 厘米，但不能有靠近传感器的金属超过 0.2 毫米。

最后，覆盖传感器有效区域的塑料应约为2毫米厚。较大的传感器区域应使用较厚的塑料;可以支持高达4毫米的塑料厚度。

结论

电容式传感器是用于人机界面的新兴技术，正迅速成为一系列不同产品和设备的首选技术。电容式传感器为各种便携式和消费类产品提供创新且易于使用的接口。它们易于设计，使用标准的 PCB 制造技术，比机械开关更可靠.它们使工业设计师可以自由地专注于造型，因为他们知道电容传感器可以依靠它来提供适合设计的高性能接口。设计人员可以从ADI公司的IC技术和产品组合中受益，以及专业知识以及可用的硬件和软件工具，从而尽可能简单快速地设计引入电容传感器。

审核编辑：郭婷