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  将流行的“牛B新技术”---ADI的CDC技术 

应用范围见下面的文章-----它虽然是高精准的电容-数字转换技术,但却可以在操作方面带来巨变!

上网时间:2006年2月

文章来源:电子工程专辑

作者:吉田顺子

iPod的成功引发了一场便携式设备用户界面的革命。所有那些按钮、甚至是曾经为电阻式触摸屏所青睐的微型魔棒(触摸笔),都正在被各种各样类似iPod触控屏的产品所取代,使得这种方式成为消费市场最热门的趋势之一。

Neonode AB公司是首批利用这种新趋势的公司之一。这家新创公司已开始销售拥有专利权的光触摸屏移动电话,该技术的基本原理是把红外光束栅格反射到屏幕上。

ADI公司也在移动设备触摸屏市场投下赌注。该公司即将发布一款低功率电容传感器AD7142,可用于MP3播放器、移动电话和数码相机。

这款16位的∑-△电容数字转换器(CDC)可为各种传感器配置提供14种可编程输入方式。功能包括触控滚动条、8路位置传感器和支持弹出窗口菜单的滚动轮,所有这些都使得用户能够更轻松地快速翻阅大量音乐、图片和视频文件。

http://www.ssipex.com/cn/industry/images/06022001.gif

图1: 触摸屏瞄准便携消费类ic37

更重要的是,ADI的CDC与其它竞争对手的解决方案相比,功耗降低了50%,ADI的高精度信号处理业务市场经理Kevin O'Connell表示。ADI公司声称,在手指触摸屏幕时,全功率模式下传感器的电流小于1毫安,而关断模式下电流小于2微安。当该传感器保持开启,但用户没有触摸屏幕时,消耗电流在50微安以下,而其它竞争对手的解决方案常常需要两倍的功率。据O'Connell指出,最重要的是,当传感器状态不变,再次触摸屏幕时,其它竞争者方案中传感器的反应时间一般为2秒,但ADI器件只需0.4秒。

ADI的电容传感器还可适应在移动环境中快速变化的温度和湿度,从而提高触摸控制的精度和可靠性,O'Connell补充道。

目前,有两家公司主宰着计算机触摸板市场:日本的Alps Electric公司和美国加州Synaptics公司(它设计了iPod触摸板滚动轮)。随着越来越多的1级和2级消费电子公司开始开发手指触摸屏系统,对新进入的厂商而言的确存在相当大的市场空间。ADI表示其在顶级品牌和二线产品中已有一些设计中标。AD7142的批量订购单价为1.09美元,已于2月进入量产。

Databeans公司的研究主管兼首席分析师Susie Inouye认为手指触摸屏有一个主要优点。“使用触摸板的好处是用户能够在屏幕上随意移动或滚动浏览较长的列表,例如歌曲或其他文件。”Inouye表示。随着许多消费便携式产品存储容量的增大,轻松滚动浏览长列表清单的能力成为一个关键的问题。MP3播放器是触摸板应用不断增长的领域之一。Inouye还预测:“新的相机和手机可能在下一代设计中集成一个触摸板接口。”

市场上几种触摸屏技术中,最廉价的是电阻式系统,但最有市场动力的是基于电容的技术。使用电容技术的设备(像iPod)不需要导航笔,而且触摸屏更清晰。

电阻式系统包含一块涂敷有一层导电金属和一层电阻式金属的玻璃板,彼此由绝缘片隔离,其上均有电流通过。在它们上面还设置有一层防刮层。当用户触压屏幕时,上述两层在准确的接触点导通。电场变化作为触摸事件被记录下来,然后送到控制器处理。

另一方面,电容系统在屏幕顶层不需要这两层金属层,而是采用一个可以放置在“屏幕外”的电容传感器。电容触摸屏板引导电流连续流经该传感器。这使得传感器在水平和垂直轴方向上都具有精确控制的存储电荷场,由此而产生电容效应。当传感器的“常态”电容场(它的参考状态)被另一个电容场(即使用者的手指)所改变时,触摸板上每一个角的电路对这种“失真”结果进行测量并将有关触摸事件的数据送到控制器做数学处理。

“Neonode公司开发的 zForce光学屏采用了不同的技术,可以提供若干种比其它触摸屏技术更好的优势,”该公司市场经理Jonas Lofgren称。例如,屏幕记录手势的性能更好。此外,液晶显示器不需要塑料层,故移动设备上的图像更清晰,而且消费者可以用大拇指输入数据。

实质上,zForce光学触摸屏采用发光和接收二极管作为传感器。“我们通过读取红外光束是否阻断,利用板上计算机计算出用户手指的动作,” Lofgren解释道,“这种触摸确定过程每秒内可完成好几次,在设备测试时可给出你想要的精度和速度。”

对手持式设备来说,采用触摸式控制的另一个优点是小尺寸。它们比物理操纵杆、4路或8路导航控制、滑键和按钮要薄得多。“另外,它们还可使工业设计变得平滑整洁,这已证明是iPod成功的关键因素。”Lofgren表示。


作者:iQanalog  2006-10-8 11:06:00

  回复1  2203372

容性触摸传感器受青睐

所在栏目: 技术分类: 模拟与无源器件作者:David Marsh,EDN特约技术编辑发表时间:2006-09-06 [TABLE][TR][TD][/TD][TD][/TD][/TR][/TABLE]

  要 点

  电容性触摸传感器挑战开关与电阻触摸板。

  现有的 IC 展示出各种不同的检测方法。

  3D 检测场拓宽了应用机会。

  电荷传送技术减少了检测板的数量。

  评估套件加快了对牢靠性和易用性的评测。

  电容接近传感器体现的是今天IC技术允诺表达的老概念:供应厂商们将传统的模拟技术与现在最佳数字技术相结合,争先恐后地争取汽车、消费者和工业领域的新市场。

[HR]

  随着电子工程师们努力将更多功能嵌入体积和功耗越来越小的产品中,产品设计者们面临着一个更大但同样不变的图像。无论是在董事会房间还是消费产品媒体中都流行着一个观点,即最终促成产品销售的是漂亮的包装和智能的用户界面,而不是其中的硬件。在汽车业中也有类似的情况,尽管技术很复杂,最终产品的价值也很高。例如,Osram 最近因自己提供按需色彩的 LED (图)赢得了 2006 PACE(汽车供应商卓越贡献,http://www.trcpg.com/pace.htm)创新奖,它使汽车制造商有机会定制汽车颜色,从而将自己的产品与其竞争者的产品区别开来。这是一种简单的销售策略。同时,汽车供应厂商的最高优先级经常是提供尽可能简单而强大的用户界面,而不是绝对地可靠。

  这些应用(也包括其它难以尽数的应用)都依赖两个主要元素:开关与显示。显示和使能技术,如有机LED即 OLED,吸引着大众的注意力,而慢速的开关配件则经常遭到忽视。但这种技术也在发展中,新一代电容性触摸传感器使设计者有充分理由重新考虑开关面板的选择。过去,在灵敏度和稳定度方面很难设计,也不可靠,但今天的触摸开关比机电开关更便宜也更可靠。另外,选择的触摸开关或触摸板需要定制制造的日子一去不复返了,因为不断发展的各种电容性检测 IC 使一次性设计也承担得起。重要的是,这种发展使产品设计者有机会实现设备的差异化,使电气工程师具备了拥有自己设计的好处。那么,这些新部件好在哪里?它们的设计如何方便?

  受俄罗斯政府资助研究的接近传感器产品 Theremin传感器 是 Leonard Theremin 在 1919 年发明的,这可能是第一种进入商用的电容性传感器。该装置可探测一位音乐家的手与一对天线之间的距离,调制两台外差式振荡器的频率和波幅,从而构成了世界上首台电子音乐合成器的心脏。接下来在 1972 年,设计师 David Cockerell 在电子音乐工作室制作了 KS 键盘,作为该公司压控合成器产品中的定序器(参考文献 1)。这种有趣的装置有一个 30 音符的触敏键盘,其输入依赖于两只 74150 16 选 1 线路复用器的 TTL 特性。设备扫描键盘,从一个 4位二进制波动振荡计数器获得时钟输入。一个网络将输入偏置给复用器,将它们保持在接近开关阈值处,当手指按压时即会超过此阈值。此时,相应的数据选择器输出为低,锁住 4 位码和复用器的标识,从而建立一个 5位的重现键位的地址。

  并联场检测物体

  也许比较出人意料,今天,Analog Devices、Cypress SemiconductorFreescale Semiconductor和 Quantum 研究集团公司也同样展示了不同的检测方案。这些厂商还提供评估套件,便于对设计的简便性和相对复杂性以及技术的牢靠性作出比较(见附文2“盒中有什么?”)。这里,“牢靠性”是指在各种使用情况与环境下能够可靠地确定按键信息的能力。任何触摸传感器都有一个背景电容、一个信号电平,或者是其环境与一个超过这个阈值传感器就会记录按键事件的高电平的乘积。移动设备展现出更大的挑战。移动设备可能这一分钟处在自由空间,而下一分钟,用户就可能把它放在一台 PC、手机或其它电子设备旁边,它们会以各种场强发射不可预测的频率(见附文1“不要在家中尝试!”)。静电泄放是另一个潜在的误触发源,水和其它污物也会引起类似的问题。为克服这样那样的问题,例如随温度和时间的漂移,触摸传感器 IC 通常嵌入了逻辑和模拟子系统,对系统进行不断校准。通过特征化每个通道,这种技术还可以适应与用户指纹和按键形式完全不同的键盘,从而改进检测率和产品设计者的选项。

  以 Analog Devices 的 AD7142新产品为例,可以看清楚这个问题,并且适用于现有的任何其它芯片。AD7142 的基本单价为 1.65 美元(批量1000片),它将用于数字转换器的14 个电容至数字转换通道封装在一个 32 焊盘、5mm×5mm 的无引线 CSP(芯片级封装)中。该器件的一个主要特性是具有自校准能力,这对移动电子目标市场是必不可少的。传感器工作时产生一个240 kHz 方波信号,驱动每个按键的电极,建立一个供配对电极评测的电场。开关阵列将接收器的电极信号多路复用到一个 16位δ-ΔADC 上,完成电容至数字信号的转换。当一根手指或其它导体与相应键的背景电容并联时,使 ADC 输出码发生变化;当这个变化超出可编程的阈值时,传感器就寄存一次按键(图 1)。

  AD7142 的每个通道都有自己的结果寄存器,主机可通过 SPI 或 I2C 接口读取。当信号超出一个传感器的阈值水平,完成一个转换序列,以及在器件的通用 I/O脚检测到一个事件时,芯片都可以产生中断。在测量水平上,在一个配置寄存器中,每个输入通道都有自己的2位场,用于确定如何连接到CDC(电容/数字转换器)块。各个选项是:无连接;连接到 CDC正输入或负输入;连接到驱动外部屏蔽导体的偏置线路。这种方式具备支持不同类型传感器的灵活性。例如,一个按键可能连接到一个CDC 输入,或两个按键可能以差分方式连接到两个输入端。两种选项都需要一级电容/数字转换,以解析按下的单个键;按差分形式的两个键则会一个也识别不出来。滑动条需要差分连接和两个转换级,第一级检测传感器的激活,即物体的接近;第二级则用于解析出相对位置。芯片的定序器对每个测量序列支持多达 12 级转换,你可以在转换次数和采样块的速率之间作出均衡,以优化性能。ADI 建议将整个转换序列的时间设为 35 ms ~ 40 ms。


作者:iQanalog  2006-10-8 11:07:00

  回复2  3203373

接近检测功能对于芯片内部再校准例程的拖延很重要,这个例程会在每次转换序列后运行,评估背景电容的变化。设计者用寄存器调整芯片满功率和低功率工作模式下的校准拖延时间,以防用户的手指在键上停留时间过长而禁止校准例程。用户手指在面板上留下的潮气会产生这种停留效果,所以强制作重新校准可以帮助传感器保持最佳的检测性能。芯片的自适应阈值与灵敏度算法不断监控着每个传感器的输出电平,自动调整阈值水平以补偿传感器区域由于像不同大小的手指这样的因素产生的变化。

  所有电容性传感器都会在器件用于支持检测技术的功率大小、按键刷新的频率、以及总体功率预算等之间进行一些折衷。AD7142提供满功率、低功率和器件关断工作模式。在满功率模式下,器件的所有部分都接通,并以恒定速率不断地完成转换和重新校准工作。低功率模式会降低转换频率,例如每400ms一次,直到检测到一个键按下为止,然后回复到40ms的序列(这些时序都是可编程的)。同时,一个接近计数器倒计数,如果没有发生其它按键情况,则传感器再回到 400ms的周期。对于这些时序,低功率模式将芯片的总功耗从1mA降低到大约平均50mA的水平。关断模式可将静态电流降低至约2mA。

  3D成像

  Freescale 的产品专家 Brad Stewart 解释了该公司的 MC33794 电场传感器,它有多达九个检测电极和两个基准电极,适用于挑战性的汽车应用,如需要大面积 3D 成像的座椅传感器,以优化针对不同乘员和座椅位置的气囊部署。MC33794 的基价为 2.22 美元(批量1000片),这种 54 脚 SOIC 封装的器件在采用同轴电缆连接到远程的检测板时,它带有一种有源屏蔽驱动器,对电容效应作补偿。重要的内部节点(如检测信号电平)可以从器件管脚连接到微控制器的模拟输入端获得,以供测量和作校正。一个 ISO-9141 物理层接口简化了与这个 10.4 kbps、UART 总线的连接,后者是法律规定北美车辆必须支持的三种车载诊断通信结构之一。

  MC33794通过一个22kΩ电阻,在传感器电极上施加一个5Vp-p、120 kHz 的正弦波,构成分压器的一半;传感器电极和地构成另一半。选择相对较低频率的正弦波可以尽量减小 EMC 问题,避免与多数美国汽车上配备的 AM 收音机相干扰。同步解调器、整流器和低通滤波器对由目标因并联大部分驱动信号接地而产生的信号电平作平滑处理。

  电极之间的电容值与电极的面积和隔离材料的介电常数成正比,而与相互间的距离成反比:C=(keOA)/d,其中 k 是材料的介电常数,eO 是自由空间的介电常数,A 是平方米为单位的极面积,而 d 是以米为单位的两者间距离。Stewart 指出这个关系式适合于各种检测应用,如门的开/关检测,以及旋转滚桶中的不平衡补偿。他说:“由于电极间的电容与距离成反比,我们的传感器找到了一个修正衣服干洗机和其它家电摇摆的新市场。”他称设计者会把电极设计看作某种魔术,而现实并非这么简单:“我们建议在标准FR4板上每个键占10mm×10mm 面积”(参考文献2)。自动制冰机和冰箱化冻系统也是潜在的应用,此外还有检测液位,甚至检测电热炉飞溅出的内容(图2)。

  新型 MC34940 面向消费和一般工业应用,它去掉了那些汽车专用的特性,在 24 脚的宽体 SOIC 封装中包含 7 个电极和一个屏蔽。这种结构可以用到多达 28 个触摸传感器。Freescale 提供 C 代码的驱动程序,可实现滑动条、邻键抑制以及定期重新校准等功能,并有一个运行在 CodeWarrior IDE(集成开发环境)下的项目环境,以配合各种微控制器,包括该公司新推出的基于 S08内核的组合产品。DEMO1985MC34940E 开发工具采用 68HC908QY4 微控制器提供智能,包括嵌入式代码采样以及在 PC 上运行VisualBasic的预Net版编写的一个应用程序,使程序员能够根据要求修改代码。该工具包现可提供,价格为 57.65 美元,MC34940 的价格为 2.12 美元(批量1000片)。

  扫描板

  Cypress 的 CapSense 产品采用了不同的检测技术。它的 CY8C21x34 和 CY8C24x94 建立在该公司 PSoC(可编程单片系统)混合信号微控制器上,可实现张弛振荡器。在这种结构中,传感器与地之间的电容构成一个锯齿波发生器。一个恒流源为电容器充电,直到其电压上升到一个阈值,于是一个开关使电容器放电,重复循环(图 3)。由于电容及其充电电流决定了振荡器的频率,电路通过测量伴随电容增加而引起的频率差来检测是否存在用户的手指。Cypress 公布了一系列应用的说明,涵盖了这种类型传感器的工作原理以及最适合的面板布局。

  CY8C21x34有四种封装选项,从16脚的SOIC到5mm×5mm MLF,它有 8 kB闪存、512B RAM 以及I2C和SPI端口。CY8C24x94使用56脚8mm×8mm MLF 封装,具有16kB闪存、1kB RAM、一个SPI、一个全速 USB 端口。这些器件的基本价格从 1.90 美元至 2.85 美元不等(批量1000片)。Cypress的 CapSense 产品营销经理 Steven Berry 注意到,该公司的 PSoC 器件与普通的微控制器有所不同,它组合了多种模拟块,用于补充一个可配置的数字内核。他说:“核心是一个状态机,用户可以简单地设置寄存器就能增加功能块,如 UART 和定时器”。同样,该技术支持包含连续定时器件的模拟功能块,如运放、比较器和寄存器阵列,以及建立滤波器、ADC 和 DAC 的开关电容电路。PSoC Designer 套件中有一个平面规划工具,提供一种连接可视化的方法。Berry 称:“PSoC Designer 是抽象的一个进步,使用户能考虑到印制电路板上各模块间的连接问题。”每个模块都有一个描述电气规格与建议设计策略的数据表。开发环境提供驱动程序和 API(应用编程接口),包括寄存器设置和使用 C 语言或汇编语言的功能调用。对很多小系统尤其重要的是,嵌入式微控制器可以实现单片系统。

  在应用层面上,Berry 同意手持设备是最大的挑战,因为它们有不可预测的环境。作为补偿,设计者可以用一个 API 定期运行一个校正算法,更新每个电极的基础电平寄存器。你可以同时设定噪声阈值和检测阈值,对经历频率环境变化的系统作连续的软件校正。你还可以通过调整检测算法以适应传感器类型和材料重叠,对器件的功耗和检测灵敏度作出平衡。Berry 指出,虽然恒流源方案拒绝电压的变化,但该公司正致力于一种温度补偿的专利方法,用于保持电流源的精度。未来部件将提供板载的线性稳压器和实现更低的功耗。Cypress 还在研究硅片的新技术,以降低对噪声和其它干扰(如 ESD事件)的敏感性。

  解决水的问题

  英国无晶圆芯片设计企业Quantum研究集团公司以触摸传感器为其专业市场,提供各种采用电荷传送技术的IC,使自己区别于其它通用器件厂商。该公司的创始人和管理总监Hal Philipp解释说,在自由空间中,人体对地有大约100pF ~ 300pF的电容,一只手指只有数pF。为满足家用电器这类设备的需求(家用电器是该公司最大的市场之一),任何电容性检测技术都必须能在有水和其它污物的情况下解析到这种水平,例如在电热炉或其它应用表面附着的脏物和油污等。

  Philipp 将 Larry Baxter 的经典文章作为电容性检测机制的最佳说明(参考文献 3),他解释了 Quantum 根据电荷守恒原理的 QT(电荷传送)机制:“我们的 QT 传感器基本上是一只微控制器,它编程为一个未知电容的检测板充电到某个确定的电势。检测板可以是任何导体,包括印制电路板焊盘到一个显示屏表面覆盖的光学透明铟锡氧化层区。”经过一个或多个充电/传送周期后,测量板上的电荷,芯片就可以确定检测板的电容,当一只手指这样的物体打乱了检测板上的电荷时,就可以作检测了。Philipp 强调要用一个低阻源来检测电极,然后对窄带脉冲采样,以保证即使有大量湿气情况下也能可靠的进行手指检测。他评论说:“从电气导纳的角度看,水膜在低频下有更强的干扰效应,因为薄膜自身及其周围环境承载的电容形成了 2D RC 网络。”

  Quantium 用一个扩频、脉冲串模式技术通过切换 VCC 到检测电极精制了这个模型。在脉冲串之间随机的电荷脉冲以及插入长延时可减少 EMC 问题,进一步提升牢靠性。单个脉冲可以短至脉冲串内部脉冲间隔的 5% 以下,从而也降低了功耗和传感器间的干扰。Philipp 说:“大多数噪声源影响电容性传感器要么是单调的,要么带宽很窄。”该公司的传感器通常使用约 100 kHz 的采样频率,但有些器件的有效频率为 10 MHz 以上,采样时间在 100 ns 量级。结果,成为可以通过 50 mm 厚玻璃或较低电介常数材料解析目标的一种传感器。例如,普通玻璃的值约为 7.8,FR4 玻璃纤维约为5.2,多数塑料大约是 2.7(参考文献 4)。尤其是,该技术的灵敏度适合于替代电阻性触摸屏,传统的电阻性触摸屏需要两层电阻性材料,会影响光的透射。

  为防止短暂的无意触摸、物体接近或出现ESD事件造成的假触发,要求系统检测一系列成功的采样,然后才记录一次触摸。信号处理逻辑亦可实现邻键抑制,即采用反复测量每个键信号强度的迭代技术。它通过判断最大信号强度变化的区域,确定用户真正的选择。当选择的键信号保持在阈值水平以上时,传感器就会忽略邻近的其它键。

  该公司所有芯片都能实现自动漂移补偿机制,Philipp 称这足以在微波炉面板等应用中保持检测性能,这类应用的温度转换速率在 1℃/s 以上。当没有人触摸传感器时,一个算法会定期评估每个输入的基线信号水平,调整检测阈值,以保持恒定的灵敏度。根据不同类型的 QT 器件,设计者可以用基准电容器或软件设定阈值水平。Philipp 说:“尽管需要保证可靠检测的信号变化随时间的变化并不显著,但基线水平的变化相当大。”

  一系列 IC 分别适用于单键或多键、阵列键盘、触摸滑动条和滑轮、触摸屏,以及上述类型的组合。QT118H 单键传感器可以验证这些产品共有的很多特性,它的检测能透过厚达 100 mm 的玻璃,在 3.3V 电源下只耗电约 12mA。该芯片包含复用逻辑和 14位分辨率的开关式电容器ADC,这种ADC能连续产生脉冲和测量传感器电荷水平,瞬间完成重新校正。一只电容器用于设定器件的灵敏度。电荷传送采样周期为2ms,脉冲突发时间从 0.5 ms ~ 7 ms 之间变化,间隔约为95 ms。一致性逻辑电路要求用四个相同的有源采样寄存一个按键事件,作为一个去抖动滤波器。因此,在初期检测时,芯片可以将突发脉冲间隔降低到20 ms,产生的平均响应时间约为95 ms。芯片有两个选项脚,可将输出脚配置为:10秒或60秒周期的低有效信号;一个10秒长的转换输出;或者对每次新的检测产生一个 75 ms 的低有效脉冲。一个大约350ms 的三态“心跳”脉冲叠加在所有输出类型上,表示传感器工作正常。Digi-Key和Farnell InOne等目录供应商供应的品种都很多,QT118H价格不到1 美元(批量1000片),为8脚SOIC或 DIP封装,现有评估板,价格为19.95 美元。

  QT411 和 QT511 分别适用于线性滑杆和触摸轮,采用三电极段建立一个位置检测的触摸区。例如,QT511 可以只用通常建立在 FR4 基材上的三条弧形交错金属(图 4)。虽然现在的印制电路板布局(如 Pulsonix 的产品)都带有极地栅格,便于布放 18 电极的放射图案,但 Philipp 认为新的结构对大多数电路板设计软件提出了挑战:“我们的 CAD 技师用 CorelDraw 建立图案,然后将 DXF 格式的文件输入到我们的印制电路板设计环境中。”三条检测线连接到这个新结构上,在电极之间还内插芯片的逻辑电路,以解析出 128 个分立的位置。三只基准电容器设定了电路的灵敏度,电容值取决于板材的厚度和介电常数,器件通过 SPI 端口输出一个 7位的数。主微控制器设定采样时序和工作参数,如优化交流线干扰抑制的同步模式。QT511 的价格大约为 1.5 美元(批量10,000片), 14 脚 SOIC封装。


作者:iQanalog  2006-10-8 11:09:00

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  Quantum 的多键传感器可为每个键单独设定灵敏度,因而使产品设计者在使用不同尺寸和形状键时拥有了最大的灵活性。它还能用定制的微控制器内核,提供进一步的灵活性,公司可以对其作修改,满足单片小系统应用的要求,例如食品搅拌机。Philipp 总结说:“QT 技术有数十个动态范围,与传统的电容性传感器不同的是,QT 传感器无需线圈、振荡器、射频元件、特殊电缆、RC 网络以及大量分立元器件。”

参考文献

1.www.hinton-instruments.co.uk/ems/ks.gif.

2."Touch Panel Applications Using MC34940/MC33794 E-Field ICs," Freescale Semiconductor ApplicationNote,AN1985,April 2006,

www.freescale.com/files/analog/doc/app_note/AN1985.pdf.

3.Baxter, Larry K, Capacitive sensors: Design and Applications, John Wiley, 1996, ISBN 078035351X.

4."Secrets of a Successful QTouch Design," Application Note AN-KD02, Quantum Research Group, August2005, www.channel-microelectronic.de/ch_html_de/halbleiter/sensor-ics/notes/pdf/an-kd02_102-touch_secrets.pdf.

[HR]

  附文1: 不要在家中尝试!

  你可能想知道,在有潜在干扰的情况下,触摸传感器技术会如何表现出自己的牢靠性。考虑一下实验室建议的几个来源—虽然算不上是科学实验—但它们都会仿真来自任何敏感器件的不稳定响应。这些来源包括采用相位控制、驱动一只 100W 白炽灯泡的调光器、一把 400W 电钻、一台 21 英寸 CRT 显示器、一台 10 dBm 输出功率的 433 MHz ISM(工业/科学/医疗)频段发射机,以及一对 900 MHz 和 1800 MHz GSM(全球移动通信系统)手机。

  显示器去磁以及在相应传感器组件 10 mm 内打开手机都会暂时增大这些源的电磁场。在所有的电子设备中,电钻的问题最严重,它从 70 年代以来就没什么变化,为了能在手持工具的小外壳中获得最大扭矩,它使用了电刷式变速交流电机。它的低频率 RF 干扰特性也会影响到敏感的传感器,因为它们的工作频率通常也处在数百 kHz 范围内。

  事实上,Analog Devices 的 Scrollwheel-3 在接近三端双向可控硅开关调光器时会变得混乱,不能解析出手指的按压,需要一个上电周期来恢复正常运行。同样,Cypress 的 CY3212 CapSense 板也会失去对按键+滑动条例程的控制,但单独的按键与滑动条例程仍能正确识别一个手指,即使将交流电源开关导体直接放在面板上。Quantum QT106 能在约 10 mm 时检测到主线的接近,但也会显示相当明显的输出码抖动。使电钻停留在离面板数毫米的位置,并不断的开启和停止它的电机,很快就会毁坏 Cypress 的电路板,但 ADI 和 Quantum 的产品却能承受这种严重的刺激。

  为做比较,将 QT401电路板到处移动,如单独靠近 CRT 的表面,它在那里记录了一次有效的按键,它不断地出现信号错误,需要作软件重起动,估计是要作芯片基线信号校正的复位。同样的情况也发生在 ADI电路板上,它无法正确识别自己的传感器区,需要上电循环来纠正。但这些动作都不会影响 Cypress 板,即使是运行它的按键+滑动条例程,以及用板子按压 CRT 的表面来对显示器去磁。这些板子都没有对任何射频源表现出不正常的状态,其中 Quantum 产品只是检测到了金属天线的接近,与其它物体没什么区别。

  Freescale的MC34940 e-field 传感器的开发工具包中包含了82mm×47mm 系统板、一块在 2mm透明 Perspex 下有 7 个电极的传感器板、RS-232 电缆和一张光盘。系统板上载有传感器 IC、主微控制器、电源和 RS-232 接口。16 脚的插头可以用该公司的 Mon08 接口对 68HC908 系列微控制器编程。运行的应用软件会显示一个水平条,它用来图示每个电极的信号水平。传感器检测每个通道或各通道的组合,因此用户软件也可以在各个通道间作插补,实现一个滑动条功能。屏幕显示表明,直接放在面板上的调光器接线和 CRT 会被看作一根手指的一半,而电钻则没有影响。同样,射频发射器也不会打搅它。

[HR]

  附文2:盒中有什么?

  在花费时间检查各种电容触摸传感器技术以前,很多设计者会对该技术历史上出现过的重大弱点心存疑虑:缺乏牢靠性,以及难以设计。于是,厂商提供了各种评估板,帮助未来的用户自己对这些问题作出评估。各家厂商都慷慨地送来一些样品供我们检测。

  Analog Devices 的 Scrollwheel-3 是很多观展者熟悉的东西,它有一个 67mm×67mm×28mm ABS塑料盒,内含两块印制电路板。上面的主板载有一只ADuC841 微控制器、一只 Cypress CY7C68013A-56 微控制器、一个 3.3V 稳压器,以及一对时钟振荡器。下面的主板有一个 USB 瞬变电压抑制器芯片、一片用于 Cypress 芯片引导的 64 kB串行 E2PROM,以及一个六施密特触发器门。两个按键开关用于复位和程序输入,四脚插头作为 ADuC841 的发射器/接收器线,用于外部器件编程器

。该公司的 Eval-AD7142 板上也有类似的硬件,它出现在 Web上, 价格为199美元,这个版本还提供不同尺寸的按键、两个64位线性滑动条,以及一个8通道开关。与它们相比,Scrollwheel演示装置就比较透明,一块板上是AD7142芯片,另一块是直径为27mm的传感器的印制电路板。两部分的互连是一根10芯扁平电缆。

  乍看起来,这个硬件似乎有些大材小用。实际上,Cypress 微控制器只完成 USB 接口功能,公司并不准备将其用于新设计。很多更简单、更廉价的替代方法能支持无接口微控制器的独立运行,如 FTDI 的芯片,它能在 USB 和 RS-232之间转换,便于任何 UART 的连接。ADuC841 通过一个 SPI 连接控制传感器芯片,并通过通用I/O与USB 接口芯片通信。系统的心脏是传感器芯片,最有趣的是传感器板。这种柔性的基材可将其检测区划分为八个相同尺寸的辐射扇区。ADI 解释说,虽然简单的按键传感器无需驱动软件,但摇把和滑动条需要主机上的例程在传感区间内插。公司估计,滑动条的代码大小约为3kB ROM和 500B RAM,建议采用 1 MIPS 以上的处理器。

  Scrollwheel 软件增加了一个 MP3 播放器应用程序,在免费下载的评估板软件包内。演示硬件在起动时下载此单个传感器应用程序,评估板装入按键和滑动条的演示例程。通用功能包括设定 AD7142 工作模式,以及检查和修改各个寄存器,软件连续报告电容/数字转换器的输出值。Scrollwheel 演示会表示出用户手指在八个检测区中的位置,以及 128 个可能的输出码。该应用程序会区分出手指的位置,以及在目标应用中可以是提示模式变化的手指轻敲。此演示还会以直方图形式显示传感器区的相对输出,画出总输出与时间线的关系图(图 A)。这些功能提供了一种评估改变芯片寄存器设置效果的方法。默认值表明有平滑和连续的响应,在邻近代码值之间有最小的抖动。

  Cypress公司的CY3212 CapSense培训工具包价格为89美元,它包括一块127mm×77mm的底板,板载一片 CY8C21001芯片,还有一个5V线性电源,一个蜂鸣器,以及7按键和一个线性滑动条的检测区。专用的 CY8C21001 可仿真所有的 CapSense PSoC(可编程单片系统),成为一个仿真端口。一对插头接至芯片的I2C端口,以及用于PSoC MiniProg编程器的编程线,另外还有一个连接至主PC的mini-USB电缆。RJ45 插座连接可选的ICE-Cube 在线仿真器,它是价格为599美元的 CY3215DK PSoC 开发工具包的关键部件。底板上可插入一个双行、16字符的LCD板,用于显示系统状态。

  该工具包带有一张光盘,内含PSoC Designer和PSoC Programmer的安装文件,以及支持文件和文档。与往常相同,最好先到网站上检查有没有更新与增加资料,网站上发布了一组八个新 CapSense 项目,以及由SP3更新到PSoC Designer4.2。在下载77MB压缩的更新文件以前,首先必须安装基础应用程序,更新文件会增加一个重要的 CapSense User Module。由于首次发布的工具包不包括第二张有培训资料的光盘,本测试使用了出现在网站上的 CapSense 项目。接下来需要做的是解压缩文件包,在 PSoC Designer 中运行感兴趣的 .SoC项目文件,并用 MiniProg 编程器下载到电路板上,它从主机的 USB 端口为 CY3212 板供电。

  或者,理论上说,当插入编程器时,Xp Pro会显示熟悉的“插入新硬件”消息,提示需要配置文件,安装程序存放在应用驱动程序子目录中。从PSoC Designer中运行任何例子都会无法编译,返回的消息是“Operation terminated. Compiler license invalid.”(运行终止。编译器许可无效。)此时,你会明白这些按键和滑动条的实例需要145美元的C编译器,根据联机商店的信息,它现在缺货,要四至六周才能交付。还好,下载的Zip文件中各自输出的子目录中有预编译好的十六进制文件,可以尝试用“rebuild-all”命令编译C源码。有趣的是,PSoC Designer 承诺提供一个让程序员感到高兴的大型配套 IDE(集成开发环境)的全部功能,还有拖拽式块配置控制(图B)。

  用 MiniProg 将相关的按键、滑动条、以及按键+滑动条文件下载到电路板上,运行代码以确认硬件是可用的。虽然 LCD 会把可靠的按键行为报告为一个正常的手指测试,滑动条的实例却需要精确的手指位置才能返回准确的位置数据。首先,单纯滑动条的实例表现得比按键+滑动条例子有更快的响应,即使手指位于检测区的中心,似乎也可能要失去 LCD 的消息,有趣的是,这种响应似乎在随时间而改善。将手指放在印制电路板的另一侧不会检测到信号,所有情况下都需要正向接触,而不是检测是否靠近,这种特性在某些应用中是很有用的。虽然高层官员拒绝证实,但业界谣传说iconic iPod 的滚动界面采用了 PSoC 技术。

  Quantum 的 QT160 免除了对配置软件的要求,可通过厚达 100 mm 的玻璃板检测多达 6 个按键,这解释了它 75 美元的 E160 评估板的健全结构(图 C)。该芯片的目标是永久供电的室内环境,它需要外接一个 10 MHz振荡器,作为其逻辑的时钟,5 V 电源下典型耗电为 2.5 mA。演示工具包带有一个 9V 电池,这表明无需电源接地连接,电荷传送技术就可以可靠地工作。QT160 具备邻键抑制功能,配备有为各个通道设置灵敏度的寄存器,产生六个高电平有效的逻辑输出。它还支持一种触发开关模式,以及增加最大重新校正超时选项,以应付不寻常的长时间按键情况。邻键抑制功能是这个演示器特别明显的功能,它最多可允许三个并行检测。

  该公司的 E401演示滑动条组件同样不需要用户编程。该工具包价格为95美元,包括一个QT401器件,以及一个线性格式、18电极的印制电路板,电路板粘在一个ABS塑料板上。通过 FR4和ABS的总检测距离约为3 mm。一根10芯非屏蔽电缆将电路板连接到一个接口盒上,接口盒内包含一个 Microchip PIC16F873A 的 SPI-USB 转换器,以及一个 FTDI 的 FT232BM UART-USB 接口芯片(Quantum 通常包含另一个电缆与连接器组件,供用户构建自己的接口,还有一对备用的 QT401)。产品的光盘包含一个小型 PC 常驻例行程序,它会不断轮询电路板,返回手指位置。在超出轨迹中心 10 mm 以外(其它任何面板距离要短些)时,系统的接近检测能力让人印象深刻。当正向手指按压和默认设置值时,在其 128 点的输出范围内,最差情况下的响应抖动也只有一个点。上一页【1】【2】【3】【4】【5】【6】


作者:iQanalog  2006-10-8 11:11:00

  回复4  5203375

[TABLE][TR][TD]先进的阻抗与电容测量转换器[/TD][/TR][TR][TD]ADI公司[/TD][/TR][TR][TD]

本次在线座谈主要介绍了ADI先进的阻抗与电容测量转换器的原理及应用。本文包括两部分内容:第一部分主要讨论阻抗转换器,第二部分主要讨论电容转换器。在这两部分中,我们先回顾电阻和电容测量方法的主要特点,然后介绍ADI针对这两种应用推出的先进的阻抗数字转换器及电容数字转化器。

一.阻抗转换器

阻抗定义

现实世界的电路元件很复杂,除表现出电阻特性外,还会表现出电容特性和电感特性。因此引入阻抗的概念。阻抗是一个通用概念,它不仅考虑了元件在特定频率条件下的阻值,还考虑了在此频率下的相位关系。

通过测量一系列频点下的阻抗,可以获取有关待测元件的特性。这是阻抗频谱法的基础,也是许多工业、仪器仪表和汽车传感器应用的理论基础。

阻抗频谱法阻抗频谱法利用了电阻器、电感器和电容器所表现出来的不同频率特性。理想电阻器对所有频率都具有恒定的阻抗,理想电感器的阻抗会随频率增高而增大,理想电容器的阻抗会随频率增高而减小。

通过对未知元件进行扫频,如对一个化学传感器考察其阻抗与频率的关系,便可以确定它是阻性元件、感性元件还是容性元件。通常产生的响应信号的实部和虚部系数与频率的关系曲线如图1所示。

[TABLE][TR][TD][/TD][/TR][/TABLE]

阻抗频谱法包含两个层次的应用,包括:

1 定性地确定传感器的阻抗特征。首先在正常工作的条件下确定一个元件或者传感器的特征是“正常”的,然后该系统在可接受的限制条件之下检测其阻抗特征,其典型应用是金属识别和接近检测。

2.采用阻抗频谱法定量地测量待测元件的实际阻抗参数。在这种情况下,需要建立一个等效电路模型来模拟待测元件。这种待测元件通常是一种电化学或生物医学现象,所以需要根据测量到的阻抗特征调整该等效电路以便使其与测量数据最佳匹配。采用这种方法可以对特定待测物进行分析。

阻抗频谱法的重要应用之一即阻抗分析。

典型阻抗分析系统

图2给出了典型的阻抗分析系统的简化功能框图。频率激励由DDS产生,DDS的输出频率在施加于未知阻抗之前通常要经过滤波和放大。利用ADC对未知阻抗前、后的波形分别进行采样,然后送入DSP做进一步处理。这种简单的功能框图掩盖了几个基本问题。第一个问题,ADC必须对信号在所有频率范围内进行同步采样,这样才能比较激励波形和响应波形以便获得相位信息。对此过程的优化是提高系统总性能的关键。第二个问题,因为采用了大量的分立元件,所以元件误差和温度漂移以及附加的噪声都会对测量精度产生不利的影响,尤其是在小信号工作的条件下。除了元件选择和PCB尺寸问题,大量分立元件还会给误差分析带来计算困难。

[TABLE][TR][TD][/TD][/TR][/TABLE]因此,ADI公司开发了新的阻抗转换器结构以便解决上述问题。

阻抗转换器AD5933是一个1M采样率,12 bit分辨率的阻抗转换器,简称为IDC。它解决了前面列举的诸多问题,并集成了激励电路和响应处理电路。它采用DDS产生预先确定的扫频,其控制分辨率为0.1 Hz,最高频率可达100 kHz。利用上述频率激励未知阻抗,然后通过片内的ADC对其响应波形进行数字化。

该器件的关键特点之一是它能做离散傅氏变换(DFT),将每个扫频点的实部和虚部值都提供给用户。使用这些值就可以方便地计算出响应信号的幅度和相对相位信息。其工作原理是,首先将频率施加在未知的阻抗上,该阻抗可以是阻性、容性、感性或者几种的组合。用户需要外接反馈电阻来防止响应信号超过ADC的量程并且保证系统的线性特性。通过电阻选择,可以测量从100 ~10 M 的阻抗,并且测量精度可达到0.5%。ADC的输出会送到片内DFT模块进行数字处理,以便提取出其实部和虚部。因有评估软件支持,允许将外部阻抗连接到评估板,所以很容易生成阻抗与频率的关系曲线。

电容数字转换器

单电极电容传感器的缺点

1)需要从传感器到地的虚拟电容耦合。

2)信号测量路径中存在寄生电容,所以会导致不可重复和无法预知的测量结果。

3)无法增加附加的输入保护电路。

双电极电容传感器的优点

1)它不依赖于电容对地耦合。

2)它对寄生电容不敏感,意味着它只将信号电荷传递给转换器。这样就可以实现可预知的性能和简单得多的设计。

3)设计工程师可以根据需要增加附加的输入保护电路。

电容测量方法

传统地,检测电容传感器的电荷变化的困难在于实现高性能、低成本的电容输入的信号处理前端。一般说来,电容的测量需要对电容器电极施加一个激励源。然后将电容的变化转换为电压、电流、频率或者脉冲宽度的变化。

典型的电容测量方法包括:

a.“直接”方法,首先按照规定的时间长度用特定的电流源对待测电容器充电,然后测量该电容器两端的电压。这种方法需要小电流、高精密电流源和高输入阻抗才能测量出电压。

b.首先用待测的电容器构成一个RC振荡器,然后测量时间常数、频率或周期。这种方法很简单,但是通常不能达到高精度。

c.测量待测电容器的交流(AC)阻抗。用一个正弦波信号源激励该电容器,然后测量该电容器的电流和电压。使用四线制连接到该电容器,使用比例测量方法,用一个同步解调器提供最精确的结果。但是,这种电路非常复杂而且需要的器件数量多。

∑-ΔADC

a.∑-Δ体系架构

∑-Δ是一种成熟的技术,许多年来一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。图3给出了工业标准单芯片 - ADC的简化体系结构。电容器的CIN和CREF周期性地切换到电压输入VIN和参考输入VREF,它们将电荷存储到积分器CINT中。比较器检测积分器的输出并控制输入开关的相位以构成闭环反馈环路,从而它使通过电压输入路径和参考输入路径的电荷流动保持平衡。所有闭环反馈环路系统的目的都是为了达到平衡,或者换句话说是实现零误差。这就是∑-Δ ADC要尽力实现的目标。

[TABLE][TR][TD][/TD][/TR][/TABLE]

比较器会输出由‘0’和‘1’组成的码流,它会随着用于环路平衡的电荷量而变化。电荷量与电压和电容成正比。因为电容的值是固定的,所以‘0’和‘1’的密度就表示输入电压(VIN)相对参考电压(VREF)的比率。因此,全‘1’的恒定码流表示满量程,而全‘0’则表示零位或零点。经过后续数字滤波器处理,我们可以得到输入电压转换结果。

这种体系结构的固有特点是高线性度和高精度,但是在分辨率和速度之间会有折衷。为了获得高精度,数字滤波器会花费较长的处理时间。该转换器的分辨率受系统噪声的限制。另外,输出数据速率受到时钟频率的限制,时钟频率取决于开关速度、积分器带宽和比较器建立时间。 b.∑-Δ与电容传感器

标准的∑-ΔADC通过在芯片内的固定电容器和外界输入之间切换实现转换。如果电荷与电压和电容都成正比,在这种情况下既然电容是变化的,那么为什么不使用固定的电压来代替固定的电容?

基于此提出了改进的∑-ΔADC电路。固定输入电压可以看作电压激励源,被移至芯片外的可变电容器可以看作一个电容传感器。结果,输出数据将表示传感器电容相对CREF变化的比率。输入端的电荷是不变电容和可变电容之和。其中,要测量的电容是可变电容。通过芯片内的CAPDAC(这里没有示出),可从电荷反馈环路中减去由不变电容产生的电荷。

∑-ΔADC电路上述创新的思想允许电容传感器与∑-ΔADC直接连接,它具有高分辨率、高精度和高线性度等固有特点。在实际使用本电路体系结构时还有以下两个特点:

a.其接口对传感器节点与地之间的电容以及对地的漏电流都不敏感,这两点根据实际电路都会引起特定的限制。

b.完整的电容数字转换器可以在单芯片中实现,因此具有高集成度、系统容易实现、高可重复性和高可靠性的特点,最后并且很重要的一点就是显著降低了系统成本。

电容传感器应用实例

电容传感器的一个典型应用是压力检测,下面以此为例介绍电容传感器的具体应用。 压力传感器的电路图主要由两个电容极板构成,见图4。当对传感器施加压力时,电容极板就会互相靠近。这就有效地减小了两极板之间的距离‘d’,从而增大了电容。可以采用一个温度传感器来检测传感器温度的变化,因为其特性会随温度而变化。CDC的一个ADC电压通道用于周期性地测量温度。压力传感器在工业、汽车和医学应用中有着广泛的应用。

[TABLE][TR][TD][/TD][/TR][/TABLE]ADI公司现已推出首批高精度单芯片电容数字转换器。该电容传感器允许不变的共模电容输入范围是0 ~17 pF,满度电容输入范围为 4 pF。芯片的最大有效分辨率(ENOB)为21 bit。从电容值来看,这就意味着该芯片可以分辨的最小输入电容变化值为4 aF(阿法)――大约相当于25 aF的“实际”噪声自由电容。有人问过1 aF是多少,1 aF等于10~18F (法拉)。所以,25 aF等于0.025 fF。

该器件在 40~+125℃的温度范围内能达到规定的技术指标,最大功耗电流仅为850 A,具有一个I2C接口,采用16引脚TSSOP封装。首批CDC系列产品有三款器件,分别是AD7745AD7746AD7747

中电网在线座谈网址:

http://seminar.chinaecnet.com/050812/jchf.asp

[/TD][/TR][TR][TD] [/TD][/TR][/TABLE]


作者:iQanalog  2006-10-8 11:12:00

  回复5  6203376

[TABLE][TR][TD][TABLE][TR][TD]»消费类电子 »电子游戏/玩具 [/TD][/TR][TR][TD]

[TABLE][TR][TD]

ADI公司新的CDC使用先进的检测技术以提高手持消费类电子产品中触摸控制的精度和可靠性 [/TD][/TR][TR][TD]

[TABLE][TR][TD]

北京讯(2005年12月13日) - 美国模拟器件公司(Analog Devices, Inc.,纽约证券交易所代码: ADI),全世界领先的数据转换器供应商,今日推出一款用于手持消费类电子设备的可编程14通道电容数字转换器(CDC),它们能使当代的触摸控制设计做到超薄而高可靠性,以改善用户的触摸感。凭借ADI公司先进的电容传感器内核,这款低功耗CDC具有自动校准快速改变的外界环境的功能,从而使其适合移动环境应用。这种使得触控导航屏幕功能成为可能的电容传感器正在快速取代机械输入方式以改善蜂窝手机、MP3播放器和数码相机应用中的屏幕控制的外观和触感。

AD7142将ADI公司获奖的CDC产品种类扩展到消费类应用,它具有超过同类解决方案的显著优势,包括提高抗环境干扰能力。这些干扰来自环境温度和湿度,它们会降低其它电容传感器的性能。该器件的功耗比同类解决方案低50%,从而使其适合电池供电的应用。AD7142有14个输入端,可对各种传感器配置进行设置,例如触控滚动条、8路位置传感器,以及驱动弹出菜单的滚轮,从而使用户可以更方便地浏览大量的音乐、图片和视频文件。

“蜂窝手机和MP3播放器的用户接口是最困难的设计环节之一,因为它要求在现代触摸屏设计的最小尺寸和最低功耗范围内具有最高的精密度和功能,”ADI公司精密信号处理产品线总监Pat O’Doherty先生说。“像我们用于工业和汽车应用的CDC产品一样,AD7142能以较低的成本提供鲁棒性和无差错的性能,同时比以前的产品提供更大的设计自由度。”

关于AD7142 CDC的更多介绍

AD7142凭借ADI公司的电容传感技术具有高度可编程能力,并包含自适应阈值和灵敏度算法,允许芯片调整用户的手指尺寸,从而使该传感器对手指粗细不同的用户都适用。这款16位、低噪声、高精度CDC允许终端用户调整单个传感器的敏感程度以适应他们的手指和触摸方式。AD7142通过片内数字校准功能实现独特的自动环境补偿,从而不论在任何时间和任何环境条件都能保证传感器的性能无差错。由于该器件显而易见地对用户提供了这种连续的校准,所以在外部传感器上不会产生误触摸或者无效触摸。

另外,AD7142的低功耗特性使其很适合电池供电的应用,包括数码相机、电视机遥控器和游戏机。全功率方式工作电流小于1.0 mA,而待机方式工作电流小于2.0 μA。该器件还能够灵活地调整输出速率以获得最优化的功耗。AD7142提供SPI或者I2C兼容接口选择,与ADI公司用于手机和个人媒体播放器的Blackfin®处理器可以很好地配合工作。

关于ADI公司的电容传感器技术

AD7745是ADI公司以工业应用为目标的CDC,它是获得2005年最佳传感器展览会奖的唯一的传感器奖。ADI公司将用于AD7745中同样的电容传感技术用于AD7142。这两款器件都是基于ADI公司的Σ-Δ电容数字转换器器处理内核制造而成的。

与同类模块不同,AD7142是基于集成电路(IC)的单片解决方案,它提供了传感器尺寸库,从而允许制造商为不同的产品定制电容传感器的形状。此外,ADI公司提供适合多种终端用户应用的传感器参考设计。这些参考设计能够与可选的主软件一起工作,该软件能够提供高精密检测能力。

供货和报价

AD7142现在可提供产品样片,并将于2006年2月提供大批量产品。AD7142采用32引脚 5 mm×5 mm LFCSP(引脚架构芯片级)封装,工作电压为2.7 V~3.3 V。AD7142大批量产品的报价是1.09美元。AD7142的评估板通过ADI公司的办事处现在可提供,报价为199美元。

[/TD][/TR][TR][TD] [/TD][/TR][TR][TD]关于ADI公司

美国模拟器件公司(Analog Devices, Inc.,纽约证券交易所代码:ADI)将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,在此基础上已成长为该技术领域最持久的高速增长企业之一。ADI公司是业界广泛认可的数据转换和信号调理技术全球领先供应商,拥有遍布世界各地的60,000客户,他们事实上代表了全部类型的电子设备制造商。ADI公司作为全球领先的高性能模拟集成电路(IC)制造商庆祝公司创建40周年,其产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域,公司总部设在美国马萨诸塞州诺伍德市,在全球约有8,900名员工,并且在马萨诸塞州、加利福尼亚州、北卡罗来纳州、爱尔兰和菲律宾都有制造厂。ADI公司的股票在纽约证券交易所上市,并被纳入标准普尔500指数(S&P 500 Index)。欲获知ADI公司的更多信息,请访问公司网站:www.analog.com/china。

[/TD][/TR][TR][TD][SUP]1[/SUP] Blackfin是ADI公司的注册商标。

[/TD][/TR][TR][TD]

[/TD][/TR][TR][TD]

[/TD][/TR][TR][TD]

[/TD][/TR][/TABLE][TABLE][TR][TD]新闻发布联系人:[/TD][/TR][TR][TD]Coco Kang[/TD][/TR][TR][TD]电话:8621-51503000[/TD][/TR][TR][TD]传真:8621-51503222[/TD][/TR][TR][TD]coco.kang@analog.com[/TD][/TR][/TABLE]

[/TD][/TR][/TABLE][/TD][/TR][/TABLE][/TD][/TR][TR][TD]Copyright © 1998-2006 [今日电子 www.epc.com.cn] All Rights Reserved.

电话:010-68131995(总机),68217318(总机),68189460(编辑部),68189470(发行部),68185269(传真)

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-->京ICP备05031297号

[/TD][/TR][/TABLE]


作者:iQanalog  2006-10-8 11:14:00

  回复6  产品介绍203377

[TABLE][TR]Part #Res (Bits)T-Put Rate# of Capac-itance InputsSupply VPwr Diss (max)InterfaceInput Base Capac-itance (max)Input Capac-itance RangePkg TypeProduct Description[/TR][TR][TD]AD7745[/TD][TD]24[/TD][TD]90SPS[/TD][TD]1[/TD][TD]Single(+3),

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Single(+5)[/TD][TD]4.5mW[/TD][TD]I[SUP]2[/SUP]C[/TD][TD]17pF[/TD][TD]±4pF[/TD][TD]16-lead TSSOP[/TD][TD]24-bit Capacitance-to-Digital Converter with 1 differential or single-ended capacitance input channel for interfacing to a single-electrode capacitive sensor[/TD][/TR][TR][TD]AD7142[/TD][TD]16[/TD][TD]30SPS[/TD][TD]14[/TD][TD]Single(+3)

Single(+3.3)[/TD][TD]TBD[/TD][TD]SPI[/TD][TD]±20pF[/TD][TD]±2pF[/TD][TD]32-lead LFCSP[/TD][TD]16-bit Programmable Capacitance-to-Digital Converter with environmental compensation and SPI interface[/TD][/TR][TR][TD]AD7142-1[/TD][TD]16[/TD][TD]30SPS[/TD][TD]14[/TD][TD]Single(+3)

Single(+3.3)[/TD][TD]TBD[/TD][TD]I[SUP]2[/SUP]C[/TD][TD]±20pF[/TD][TD]±2pF[/TD][TD]32-lead LFCSP[/TD][TD]16-bit Programmable Capacitance-to-Digital Converter with environmental compensation and I[SUP]2[/SUP]C interface[/TD][/TR][/TABLE]


作者:iQanalog  2006-10-8 11:21:00

  回复7  ~~~~~~~~~~~~~~203378

我才看了一点点就头晕了.


作者:shyygy  2006-10-9 17:36:00

  回复8  我感觉上海最近一家公司发明的超声波+红外线的手写输入设备不错203379

我感觉上海最近一家公司发明的超声波+红外线的手写输入设备不错,

他完全可以替代目前的电阻电容方式的手写板,跟重要的一点是他可以把普通的显示器当触摸屏一样来使用,我已经看到了样品,很NB啊!他们采样超声波定位方式和红外检测原理,在潦草的字都可以书写,可能在今明两年内会大量上市。


作者:lhkjg  2006-10-10 9:07:00

  回复9  上海最近一家公司发明的?已经用了n年了203380

上海最近一家公司发明的?已经用了n年了
作者:stycx  2006-10-10 9:12:00

  回复10  牛比技术203381

我还那么落后


作者:yuzq2001  2006-10-10 11:07:00

  回复11  牛203382

留个脚印


作者:alan__lgh  2006-10-11 19:17:00

  回复12  高科技203383

高科技
作者:hsw_21  2006-10-14 13:37:00

  回复13  晕203384

看了就晕


作者:小白senia  2006-10-14 14:46:00

  回复14  估计,这是未来电子操作方面不可或缺的技术203385

不会到时候可得饿晕了,哪有钱来数呢……


作者:iC921  2006-10-14 20:09:00

  回复15  模拟对话----203386

[B]Volume 40–October 2006[/B]

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[B]Ask The Application Engineer—35

Capacitance Sensors for Human Interfaces to Electronic Equipment[/B]By Susan Pratt, (susan.pratt@analog.com) [B][I]Q: [/I][/B][I][B]What is a capacitance sensor?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]Capacitance sensors detect a change in capacitance when something or someone approaches or touches the sensor. The technique has been used in industrial applications for many years to measure liquid levels, humidity, and material composition. A newer application, coming into widespread use, is in human-to-machine interfaces. Mechanical buttons, switches, and jog wheels have long been used as the interface between the user and the machine. Because of their many drawbacks, however, interface designers have been increasingly looking for more reliable solutions. Capacitive sensors can be used in the same manner as buttons, but they also can function with greater versatility, for example, when implementing a 128-position scroll bar.

Integrated circuits specifically designed to implement capacitance sensing in human-machine interface applications are now available from Analog Devices. The AD7142 and the AD7143, for example, can stimulate and respond to up to 14 and eight capacitance sensors, respectively. They provide excitation to the capacitance sensor, sense the changes in capacitance caused by the user抯 proximity, and provide a digital output.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]How does capacitance sensing work?[/B][/I] [B][I]A: [/I][/B]A basic sensor includes a receiver and a transmitter, each of which consists of metal traces formed on layers of a printed-circuit board (PCB). As shown in Figure 1, the AD714x has an on-chip excitation source, which is connected to the transmitter trace of the sensor. Between the receiver and the transmitter trace, an electric field is formed. Most of the field is concentrated between the two layers of the sensor PCB. However, a fringe electric field extends from the transmitter, out of the PCB, and terminates back at the receiver. The field strength at the receiver is measured by the on-chip sigma-delta capacitance-to-digital converter. The electrical environment changes when a human hand invades the fringe field, with a portion of the electric field being shunted to ground instead of terminating at the receiver. The resultant decrease in capacitance—on the order of femtofarads as compared to picofarads for the bulk of the electric field—is detected by the converter.

[B]Figure 1. Sensing capacitance.[/B][B][/B]

In general, there are three parts to the capacitance-sensing solution, all of which can be supplied by Analog Devices.[UL][LI]The driver IC, which provides the excitation, the capacitance-to-digital converter, and compensation circuitry to ensure accurate results in all environments.[LI]The sensor—a PCB with a pattern of traces, such as buttons, scroll bars, scroll wheels, or some combination. The traces can be copper, carbon, or silver, while the PCB can be FR4, flex, PET, or ITO.[LI]Software on the host microcontroller to implement the serial interface and the device setup, as well as the interrupt service routine. For high-resolution sensors such as scroll bars and wheels, the host runs a software algorithm to achieve high resolution output. No software is required for buttons. [/LI][/UL]

[B][/B]

[B]Figure 2. Three-part capacitance-sensing solution.[/B]

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]What are the advantages of capacitive sensing?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]Capacitance sensors are more reliable than mechanical sensors—for a number of reasons. There are no moving parts, so there is no wear and tear on the sensor, which is protected by covering material, for example, the plastic cover of an MP3 player. Humans are never in direct contact with the sensor, so it can be sealed away from dirt or spillages. This makes capacitance sensors especially suitable for devices that need to be cleaned regularly—as the sensor will not be damaged by harsh abrasive cleaning agents—and for hand-held devices, where the likelihood of accidental spillages (e.g., coffee) is not negligible.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]Tell me more about how the AD714x ICs work.[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]These capacitance-to-digital converters are designed specifically for capacitance sensing in human-interface applications. The core of the devices is a 16-bit sigma-delta capacitance-to-digital converter (CDC), which converts the capacitive input signals (routed by a switch matrix) into digital values. The result of the conversion is stored in on-chip registers. The on-chip excitation source is a 250-kHz square wave. The host reads the results over the serial interface. The AD7142, available with either SPI[SUP]®[/SUP]- or I[SUP]2[/SUP]C[SUP]®[/SUP]-compatible interfaces, has 14 capacitance-input pins. The AD7143, with its I[SUP]2[/SUP]C interface, has eight capacitance-input pins. The serial interface, along with an interrupt output, allows the devices to connect easily to the host microcontroller in any system. [B][/B]

[B]Figure 3. AD7142 block diagram.[/B][B][/B]

These devices interface with up to 14 external capacitance sensors, arranged as buttons, bars, wheels, or a combination of sensor types. The external sensors consist of electrodes on a 2- or 4-layer PCB that interfaces directly with the IC.

The devices can be set up to interface with any set of input sensors by programming the on-chip registers. The registers can also be programmed to control features such as averaging and offset adjustment for each of the external sensors. An on-chip sequencer controls how each of the capacitance inputs is polled.

The AD714x also include on-chip digital logic and 528 words of RAM that are used for environmental compensation. Humidity, temperature, and other environmental factors can affect the operation of capacitance sensors; so, transparently to the user, the devices perform continuous calibration to compensate for these effects, giving error-free results at all times.

One of the key features of the AD714x is sensitivity control, which imparts a different sensitivity setting to each sensor, controlling how soft or hard the user抯 touch must be to activate the sensor. These independent settings for [I]activation thresholds[/I], which determine when a sensor is active, are vital when considering the operation of different-size sensors. Take, for example, an application that has a large, 10-mm-diameter button, and a small, 5-mm-diameter button. The user expects both to activate with same touch pressure, but capacitance is related to sensor area, so a smaller sensor needs a harder touch to activate it. The end user should not have to press one button harder than another for the same effect, so having independent sensitivity settings for each sensor solves this problem.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]How is the environment taken into account?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]The AD714x measures the capacitance level from the sensor continuously. When the sensor is not active, the capacitance value measured is stored as the [I]ambient[/I] value. When a user comes close to or touches the capacitance sensor, the measured capacitance decreases or increases. Threshold capacitance levels are stored in on-chip registers. When the measured capacitance value exceeds either upper or lower threshold limits, the sensor is considered to be active—as shown in Figure 4—and an interrupt output is asserted.

[B][/B][B][/B]

[B]Figure 4. Sensor activation. [/B]Figure 4 shows an ideal situation, where the ambient capacitance value does not change. In reality, the ambient capacitance changes constantly and unpredictably due to changes in temperature and humidity. If the ambient capacitance value changes sufficiently, it can affect the sensor activation. In Figure 5, the ambient capacitance value increases; Sensor 1 activates correctly, but when the user tries to activate Sensor 2, an error occurs. The ambient value has increased, so the change in capacitance measured from Sensor 2 is not large enough to bring the value below the lower threshold. Sensor 2 cannot now be activated, no matter what the user does, as its capacitance cannot decrease below the lower threshold in these circumstances. A worse possibility is that the ambient capacitance level continues to increase until it is above the upper threshold. In this case, Sensor 1 will become active, even though the user has not activated it, and it will remain active—the sensor will be 搒tuck? on—until the ambient capacitance falls. [B][/B]

[B]Figure 5. Sensor activation with changing ambient capacitance.[/B]

On-chip logic circuits deal with the effects of changing ambient capacitance levels. As Figure 6 shows, the threshold levels are not constant; they track any changes in the ambient capacitance level, maintaining a fixed distance away from the ambient level to ensure that the change in capacitance due to user activation is always sufficient to exceed the threshold levels. The threshold levels are adapted automatically by the on-chip logic and are stored in the on-chip RAM. No input from the user or host processor is required.

[B][/B][B][/B]

[B]Figure 6. Sensor activation with auto-adapting thresholds. [/B]

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]How is capacitance sensing applied? [/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]As noted earlier, the sensor traces can be any number of different shapes and sizes. Buttons, wheels, scroll-bar, joypad, and touchpad shapes can be laid out as traces on the sensor PCB. Figure 7 shows a selection of capacitance sensor layouts. [B]Sensor[/B] [TABLE][TR][TD][B]Button[/B][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][B]8-Way Switch[/B][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][B]Slider[/B][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][B]Wheel[/B][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][B]Keypad[/B][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][B]Touchpad[/B][/TD][TD][/TD][/TR][/TABLE]

[B]Figure 7. Selection of capacitance sensors.[/B]

Many options for implementing the user interface are available to the designer, ranging from simply replacing mechanical buttons with capacitive button sensors to eliminating buttons by using a joypad with eight output positions, or a scroll wheel that gives 128 output positions.

The number of sensors that can be implemented using a single device depends on the type of sensors required. The AD7142 has 14 capacitance input pins and 12 conversion channels. The AD7143 has eight capacitance inputs and eight conversion channels. The table below shows the number of input pins and conversion stages required for each sensor type. Any number of sensors can be combined, up to the limit established by the number of available inputs and channels.[TABLE][TR][TD][B]Sensor Type[/B][/TD][TD][B]Number of C[SUB]IN[/SUB] inputs required[/B][/TD][TD][B]Number of conversion channels required[/B][/TD][/TR][TR][TD][B]Button[/B][/TD][TD]1[/TD][TD]1 (0.5 for differential operation)[/TD][/TR][TR][TD][B]8-Way Switch[/B][/TD][TD]4—top, bottom, left, and right[/TD][TD]3[/TD][/TR][TR][TD][B]Slider[/B][/TD][TD]8—1 per segment[/TD][TD]8—1 per segment[/TD][/TR][TR][TD][B]Wheel[/B][/TD][TD]8—1 per segment[/TD][TD]8—1 per segment[/TD][/TR][TR][TD][B]Keypad

Touchpad[/B][/TD][TD]1 per row, 1 per column[/TD][TD]1 per row, 1 per column[/TD][/TR][/TABLE]

Measurements are taken on all connected sensors sequentially—in a 搑ound-robin?fashion. All sensors can be measured within 36 ms, though, allowing essentially simultaneous detection of each sensor抯 status—as it would take a very fast user to activate or deactivate a sensor within 40 ms.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]What design help can you offer first-time users?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]Analog Devices has a number of resources available to designers of capacitance sensors. The first step in the design process is to decide what types of sensors are needed in the application. Will the user need to scan quickly through long lists, such as contacts on a handset or songs on an MP3 player? If so, then consider using a scroll bar or scroll wheel to allow the user to scan through those lists quickly and efficiently. Will the user need to control a cursor moving around a screen? An X-Y joypad would be a good fit for this application. Once the type, number, and dimensions of the required sensors have been fixed, the sensor PCB design can begin.

As part of the design resources available for capacitance sensing, a Mentor Graphics PADs layout library is available online. Many different types and sizes of sensors are available in this library as components, which can be dragged and dropped directly into a PCB layout. The library is available as an interactive part of the Touch Controller System Block Diagram. Also available is AN-854, an application note that provides details, tips, and tricks on how to use the sensor library to lay out the desired sensors quickly.

When designing the PCB, place the AD7142 or AD7143 on the same board as the sensors to minimize the chances of system errors due to moving connectors and changing capacitance. Other components, LEDs, connectors, and other ICs, for example, can go on the same PCB as the capacitance sensors, but the sensor PCB must be glued or taped to the covering material to prevent air gaps above the sensors, so the placement of any other components on the PCB must take this into account.

For applications where RF noise is a concern, then an RC filter can be used to minimize any interference with the sensors. Using a ground plane around the sensors will also minimize any interference.

The PCB can have either two- or four layers. A 4-layer design must be used when there is no room, outside of the sensor active areas, to route between the IC and the sensors, but a 2-layer design can be used if there is enough routing room. The maximum distance allowed between the sensor traces and capacitance input pin is 10 cm, but one sensor can be 10 cm from the pins in one direction, while another can be 10 cm from the pins in the opposite direction, allowing 20 cm between sensors.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]My sensor PCB is ready, now what?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]Capacitance is notoriously difficult to simulate, so the sensor response in each application must be characterized to ensure that the AD7142/AD7143 is set up optimally for the application. This characterization process need only take place once per application, with the same setup values then being used for each individual product.

The sensors are characterized in the application. This means that any covering material must be in place on top of the sensor, and any other PCBs or components that may have an effect on the sensor抯 performance must be in place around the sensor.

For each conversion channel, we need to configure:[UL][LI]Internal connection from the device's C[SUB]IN[/SUB] input pin to the converter. This ensures that each sensor is connected to the converter using one conversion channel.[LI]Sensor offset value, to offset for C[SUB]BULK[/SUB]. This is the capacitance associated with the electric field that is confined within the PCB, between the transmitter and receiver electrodes. This value does not change when the sensor is active, but instead provides a constant offset for the measurement fringe capacitance value.[LI]Initial values for the upper and lower offset registers. These values are used by the in-chip logic to determine the activation threshold for each sensor.[/LI][/UL]The easiest way to perform the characterization is to connect the sensor PCB to the AD7142/AD7143 evaluation board—available from Analog Devices. The microcontroller and software that are included on the evaluation board can be used to characterize the sensor response and save the setup values.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]What kind of response can I expect?[/B][/I] [B][I]A: [/I][/B]The practical response from the sensor is defined by the converter抯 output change when the sensor goes from inactive to active. This change will depend on the area of the sensor—the larger the sensor area, the greater the change when the sensor is active. The sensor response will also depend on the thickness of the covering material—if it is very thick (4 mm or more), the sensor response will be minimal. The reason is that the electric field will not penetrate through very thick covering material, so the user will not be able to shunt enough of the field to ground to generate a large response. Figure 8 is a typical sensor response from a button sensor. It shows a change of about 250 LSBs between the sensor active and sensor inactive in this case.

[B][/B][B][/B]

[B]Figure 8. Typical response from a button sensor. [/B]

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]You mentioned software?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]The interaction between the host processor and the AD7142/AD7143 is interrupt-driven. The host implements the serial interface, either SPI or I[SUP]2[/SUP]C. The AD7142/AD7143 will interrupt the host when a sensor is touched. The host can then read back data from the on-chip registers. If the sensors are buttons, or other simple on/off type sensors, the host simply reads back from the on-chip status registers; an active button causes a bit to be set in the status register. However, if the sensors have a high-resolution output, a software algorithm must run in the host interrupt routine to process the AD7142/AD7143 data.

The code is provided free of charge or royalties to customers who sign a license agreement with Analog Devices. For a scroll bar, the code typically occupies 500 bytes of data memory and 8k bytes of code memory. For a scroll wheel, the code typically occupies 600 bytes of data memory and 10k bytes of code memory.

Analog Devices provides sample drivers, written in C-code, for basic configuration, button sensors, and 8-way switches using SPI- and I[SUP]2[/SUP]C-compatible interfaces. Sample drivers for scroll wheels and scroll bars are available after signing a software license.

[B][I]Q: [/I][/B][I][B]Ideas on assembling my finished product?[/B][/I]

[B][I]A: [/I][/B]No air gap is allowed between the sensor PCB and the covering material or product case because having one would cause less of the electric field to extend above plastic, decreasing the sensor response. Also, the plastic or other covering material might bend on contact, causing the user to interact with a variable electric field, and resulting in a nonlinear sensor response. Thus, the sensor PCB should be glued to the covering material to prevent any air gaps from forming.

Also, there can be no floating metal around the sensors. A [I]揔eep Out?/i> distance of 5 cm is required. Metal closer to the sensors than 5 cm should be grounded, but there can be no metal closer to the sensors than 0.2 mm.

Finally, the plastic covering the sensor抯 active areas should be about 2 mm thick. Larger sensor areas should be used with thicker plastic; and plastic thickness of up to 4 mm can be supported.

[B]CONCLUSION

[/B]Capacitance sensors are an emerging technology for human-machine interfaces and are rapidly becoming the preferred technology over a range of different products and devices. Capacitance sensors enable innovative yet easy-to-use interfaces for a wide range of portable and consumer products. Easy to design, they use standard PCB manufacturing techniques and are more reliable than mechanical switches. They give the industrial designer freedom to focus on styling, knowing that capacitance sensors can be relied upon to give a high-performance interface that will fit the design. The designer can benefit from the Analog Devices portfolio of IC technology and products, plus the expertise and the hardware and software tools available to make it as easy and as quick as possible to design-in capacitance sensors. [TABLE][TR][TD]

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作者:iC921  2006-10-14 20:18:00

  回复16  应用笔记203387

[TABLE][TR][TD]电容数字转换器 - 应用笔记[/TD][/TR][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][/TD][TD]To view Adobe Acrobat PDF format files you must install Adobe Acrobat Reader. We recommend Adobe Acrobat 6.0[/TD][/TR][TR][TD][/TD][TD][/TD][/TR][TR][TD][/TD][/TR][/TABLE][TABLE][TR][TD][TABLE][TR][TD][TABLE][TR][TD][TABLE][TR][TD]AN-858: AD7142 Sensor Board In-Line Production Test Procedure (pdf, 127,484 bytes) [/TD][/TR][TR][TD][B]AN-857[/B]: Introduction to AD7142 Host Software Requirements (pdf, 78,627 bytes) [/TD][/TR][TR][TD][B]AN-856[/B]: AD7142 Applications Using Sensor Buttons (pdf, 125,149 bytes) [/TD][/TR][TR][TD][B]AN-854:[B] Sensor PCB Design Guidelines for the AD7142 Capacitance-to-Digital Converter (pdf, 566,512 bytes) [/B][/B][/TD][/TR][TR][TD][B]AN-833:[/B] Using the AD7142 and a Capacitive Sensor to Develop a Single-Push Digital Shutter Button (pdf, 101,815 bytes) [/TD][/TR][TR][TD][B]AN-830:[/B] Factors Affecting Sensor Response (pdf, 165,786 bytes) [/TD][/TR][TR][TD][B]AN-829:[/B] Environmental Compensation on the AD7142: The Effects of Temperature and Humidity on Capacitance Sensors (pdf, 104,433 bytes) [/TD][/TR][/TABLE][/TD][/TR][/TABLE][/TD][/TR][/TABLE][/TD][/TR][/TABLE]

都很有特色,但AN-854似乎比较详尽。


作者:iC921  2006-10-14 20:25:00

  回复17  高精准电容测量203388

http://www.ed-china.com/ART_8800011262_400005_500001_TS_B8DB0A64.HTM

http://www.ed-china.com/ART_8800011261_400005_500001_TS_65061EEB.HTM

工业控制[H1]用Σ-△调制器测量电容式传感器上的电容量(一)[/H1]

上网时间:2006年01月01日

电容式传感器能以一个相对低的成本提供很高的精度。但试图使用它们的系统设计工程师必须先将电容容量转换成电压,接着再用一个高精度ADC把该电压转换成数字信号。复杂的电路设计、冗长的原型评估流程和要求很高的系统测试通常会使设计工程师转而寻求不同的传感器。他们常常选择一个更昂贵或者精度稍低的传感器,甚至是一个价格更昂贵、精度确更低的传感器。

尽管许多应用使用电容式传感器,但它们接口方式存在多种选择,从而带来与信号调节电路有关的问题。然而,一种新的方法则采用工业标准的Σ-△调制器(传统上被用于高分辨率ADC上),这个Σ-△调制器经过修改后,可直接用来测量电容容量。但在这之前,理解电容式传感器的使用场合非常重要。

当物理激励发生变化时,电容式传感器会相应改变电荷容量。电容式传感器可用在许多工业领域,它们的应用范围是异常宽广的,从非常高性能的系统,比如工业、医疗和制造设备,到低性能的应用,比如按键触摸屏。常见的应用实例涉及湿度、压力和位置传感器。在一个更广的范围上,应用还包括非接触开关技术、临近感应、指纹识别、液位测量、材料特性、石油质量以及所有种类的运动传感器。

[B]电容式传感器的接口[/B]

传统上,试图使用电容式传感器的系统设计工程师面临的挑战就是实现一个高性能、低成本、带容性输入的前端。一般来说,通过向电容电极施加一个激励源来完成相应测量。电容量的变化于是被转化成电压、电流、频率或脉冲宽度中的任何一个变化。电容量的测量方法一般有以下几种:

“直接”测量的方法就是在已知的时间内通过一个确定的电流源向该电容充电,随后测量该电容两端的电压。这个方法需要一个非常低电流、高精度的电流源,以及一个用来测量该电压的高阻抗输入。第二种方法是利用电容构成一个RC振荡器,随后测量时间常数、频率或周期。这个方法很简单,但它的精度通常不高。 [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]另一种方法需要测量电容的交流阻抗。用一个正弦波激励电容,然后测量该电容的电流和电压。对电容采用四线比率制连接方式,这样同步解调器便能提供目前可实现的最精确的测量结果。然而,该电路非常复杂,而且所用的元件数量很多。

连接高精密、低电容式传感器的最常见方法是用使用电荷放大器,它将传感器电容与基准电容的比率转换成电压(见图1)。在一些大批量的应用中,这种电路被集成到ASIC中。

在所有这些方法中,电容量首先被转换成电压,该电压随后被精密ADC转换成数字信号。虽然在大部分应用中采用的是数字输出,但对该信息进行数字化有一个优点,即使所需的传感器输出是模拟信号(电压或者是工业标准的4到20mA电流信号。这是因为在数字域实现传感器线性化、温度补偿和系统校准要比在模拟域实现容易得多。

任何高精密电容式传感器应用中的一个非常重要的方面就是该传感器与电路其余部分的连接方式。安装传感器的空间常常受到限制,所以信号调节电路必须小到足以塞进这个狭小的空间内。否则,该传感器必须用一个相对长的电缆连接到该电路。与所测到的传感器的变化相比(一个pF或更低的数量级),长连接线的寄生效应可能会很大。此外,随着传感器和转换器之间的距离变长,对连接电容或泄漏电流敏感的转换方法将使准确测量变得更加困难。

[B]Σ-△ ADC[/B]

作为经过充分验证的技术,Σ-△已经在高性能ADC(多于18位)中应用了多年。图2展示了一种工业标准单芯片Σ-△ ADC的简化架构。电容CIN和C[SUB]REF[/SUB]被周期性地切换到电压和基准输入(V[SUB]IN[/SUB]和V[SUB]REF[/SUB])上,而它们把电荷充到积分器CINT中。比较器检查积分器的输出并控制该输入开关的相位以闭合反馈回路,从而平衡流过电压和基准通路的电荷。 [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]

该比较器输出"0"和“1"数据流,这些数据随回路平衡所需的电荷而改变。电荷正比于电压和电容,而且因为这些电容器具有固定值,所以0和1的密度代表了输入电压(V[SUB]IN[/SUB])和基准电压(V[SUB]REF[/SUB])的比。数字滤波器随后提取时域“0”和“1”携带的信息以形成数字信号。

这个架构本身的线性和准确性特性很好,但是在分辨率和速度(输出数据率)之间有一个折衷。当更多的“0”和“1”可以在该数字滤波器中进行处理时,得到结果所需的时间会更长,但输出端会产生更稳定的位流。只有系统噪音会限制转换器的分辨率。而且,输出数据率受限于最大的时钟频率,而该频率可由开关速度、积分器带宽和比较器的稳定时间来调整。

查看现有转换器的产品资料,大致浏览一下典型Σ-△ ADC的性能:在24b处不存在丢码的现象(相对于差分非线性);高于18b的分辨率(峰到峰分辨率,即一个没有噪音、稳定的数字结果);4ppm积分非线性;数据速率从10Hz到40kHz。

[I]作者:Michal Brychta,美国模拟器件公司[/I]

工业控制

[H1]用Σ-△调制器测量电容式传感器上的电容量(二)[/H1]

上网时间:2006年01月01日

[B]Σ-△电容数字转换器(CDC)[/B]

标准Σ-△ ADC是通过切换片上固定的电容,并平衡可变电压输入和固定的电压基准输入之间电荷来实现的。这样,如果电荷正比于电压和电容,为什么不使用一个固定输入电压并改变输入电容呢?

修改后的Σ-△电路如图3所示。该固定输入电压可以被理解成一个激励电压。移到片外的可变电容可以是一个电容式传感器。这样,输出数据将代表该传感器电容量和C[SUB]REF[/SUB]之间的比率。

这个全新的设计概念允许该电容式传感器和Σ-△转换器之间的直接相连,具有高分辨率、准确度和线性度等内在特性。当将电容式传感器连接到真实世界中时,和这个电路架构相关的其它特性也将体现出来。

这个接口对传感器节点和地之间的电容、或到地的漏电流不敏感,均高于基于实际的电路实现而定义的限制。完整的CDC可以在一个硅片上实现,具有高集成度、系统易于实现、高可重复性、高可靠性等优点,最后一点但重要一点就是可显著降低系统成本。

[B]电容式长度传感器的例子[/B] [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]

这里以电容式长度/位置传感器作为一个简单的低成本电容式传感器例子。该传感器的原理很简单:一个由具有确定介电常数的介质材料制成的条带在两个固定极板之间移动,在这两个极板之间测得的电容随该条带的位置而改变(见图4)。

该传感器可被设计成一个简单的双面PCB夹层板。顶层和底层PCB上的两个铜条带构成了该电容(图5a)。该夹层板中间的两个固定PCB条带确定了电容极板之间的距离并形成运动部件的通道(图5b)。表层、夹层板中间未用的铜区域以及过孔均接地,构一个这可避免该传感器受外部世界信号影响的屏蔽。移动的介质条带用与PCB材料相同的采用制成,但表面没有敷铜。 [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]

[B]应用和性能[/B]

这个示例的电容式长度传感器已经被包括在一个评估板上。该板用一个1.5mm厚的双面PCB材料制成(见图6)。移动条带宽10mm,在初始0mm的电容大约为4.5pF,随着条带在极板之间移动,电容量的变化率大约为0.126pF/mm。 [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]

该传感器直接和一个Σ-△CDC相连,从而把整个模拟前端简化成单芯片解决方案(见图7)。该转换器的位置离该传感器相对近一些。整个电路与传感器极共享该PCB。CDC对任何接地电容都不敏感的特性使得屏蔽该传感器和连接非常容易,甚至在传感器和转换器之间的PCB走线都可用地包围,从而形成一个类似同轴电缆的结构。 [TABLE][TR][TD][/TD][/TR][TR][TD][I][/I][/TD][/TR][/TABLE]

例中所用的AD7746 CDC具有一个电容性输入,其全量程为±4pF。该量程可以通过可编程的平移(偏置)达到17pF。在量程为±4pF时的典型分辨率是18b(无噪音)。整体线性度好于0.01%,增益误差的出厂校准值小于4pF。比较传感器与转换器的规格指标,可提供系统的理论性能:全量程大约为65mm,分辨率0.25mm,整体线性度±7mm。不过,这些数值只是理论上的,而这个例子中的的低成本传感器不可能达到如此高的精度。传感器的机械精密度和鲁棒性是影响系统性能的主要因素。此外,在传感器端部电场的畸变也会导致非线性。

系统性能的另一个方面就是温度漂移。移动部件的介电常数随温度改变,而且传感器的几何尺寸也随温度而变。基于硅的CDC一般具有-25ppm/℃的增益漂移。然而,这些系统误差可以被补偿。如果传感器的温度漂移是已知的,而且已经测得温度,那么主软件里的一个算法可以补偿该系统温度误差。补偿温度漂移的一个替代方法就是测量第二个固定电容,该电容的夹层板治结构与主传感器的相同,随后在比较传感器移动部件和固定部件的基础上得出结果。

AD7746具有片上温度传感器和第二个电容通道,它支持上述两种温度补偿方法。该器件的工作温度范围在-40℃到+125℃之间,这使得它可以安放在传感器的附近。此时,在大部分应用中可以认为该器件温度和传感器温度是相等的。但是该器件还有标准的差分电压和基准输入,从而使得它成为连接外部温度传感器(例如热敏电阻或RTD)的一个方便接口。

[I]作者:Michal Brychta,美国模拟器件公司[/I]


作者:iC921  2006-10-15 8:46:00


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