电容式触摸感应检测方式 迟滞比较器原理详解

上篇文章《一文搞懂触摸感应原理》中提到两种检测电容触摸感应的方式，其中一种便是谐振式，即人手直接或间接触摸感应焊盘时，Csensor增大，导致CA（Comparison Amplifier）输出端方波频率变化，MCU检测这种变化并作出响应。下图中的画法比较简要，本篇文章就详细分析这个电路，并在此基础上作出一些延伸设计。

上图中的检测部分可以等效为如下电路：

我们都知道LM393比较器内部结构决定了其开漏输出，必须要接R4上拉电阻，所以比较器输出端输出低电平时为0，输出高电平时并不是严格等于VCC而是略小一些，这里为简化计算，认为等于VCC，同时假设同相端电压为Vref，假设反相端电压为Vi，分析下这个电路工作原理：

1. 第一阶段：上电初始阶段，比较器反向输入端的电容Cx开始充电，起始电压可以认为是0V，同相输入端电压取决于R1、R2、R3、R4分压，可以得出R2两端电压大于0V，所以比较器输出端输出高电平；
2. 第二阶段：比较器输出端输出高电平VCC，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1+(VCC-Vref)/R3=Vref/R2。Vout电压通过Rc*Cx网络给Cx充电，充电时间与电压遵循公式T=Rc*Cx*ln((VCC-V0)/(VCC-Vi))，Vi电压值逐渐增大，当Vi>Vref时，比较器输出电压由高电平切换至低电平；
3. 第三阶段：比较器输出端输出低电平0，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1=Vref/R3+Vref/R2。此时Rc*Cx网络开始释放电荷，Vi电压值逐渐减小，当Vi

后续为第二阶段与第三阶段依次循环，因此比较器输出端输出方波信号。

根据第二阶段与第三阶段中的两个公式分别计算Vref：

由此可见，在比较器输出高、低电平时Vref的值是不同的，如果把Vref较小值定义为Vth1，较大值定义为Vth2，方波周期将满足如下关系：

由上式可知，输出方波的频率和Rc、Cx、Vth1、Vth2相关，在电容触摸感应应用中，Cx值发生变化，保持其他三个变量不变。

Pspice仿真结果如下：

Cx=10pF

Cx=1pF

延伸应用：迟滞比较器

以上含有Vth1，Vth2两个阈值的电路是一个具有迟滞传输特性的比较器，即迟滞比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。

典型应用电路（注意此典型应用电路中比较器供电为双电源）：

门限电压计算：

传输特性曲线：

迟滞比较器在光感传感器中有广泛应用，例如传感器检测外界太阳光光强转换成电压信号，电压达到一定阈值时执行相应的动作。若不加迟滞比较器而直接判断电压，在临界电压点将会发生抖动，即表现为误触发，加上迟滞比较器电路可设置两个不同的门限电压，必须在经过一定的门限宽度后才能实现输出端电压变化，具有较好的抗干扰性。

下面计算两个门限电压：

Pspice仿真结果：