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高工應(yīng)該如何選擇電容感測架構(gòu)?戳進(jìn)來

發(fā)布時間:2015-12-17 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】工程師接觸電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須掌握電容感測等相關(guān)知識。電容感測在很多應(yīng)用中都發(fā)揮著重要作用。接近度檢測、手勢識別、液面感測,這些都是電容感測的某一個方面因素,但是它們的決定性都是相同的。都是根據(jù)特定的基準(zhǔn)來感測出納干起電容值的變化。本文我們就來介紹電容感測架構(gòu)的選擇。

在今天的文章中,我們將介紹2個特定的架構(gòu)類型,分別是開關(guān)電容器電路和電感器-電容器LC諧振槽路,這也是當(dāng)前一種比較常見的用于電容感測的電路。下面我們就分別來看一下這兩種電容感測架構(gòu)的特點(diǎn)和不同吧。

開關(guān)電容器電路

首先我們來看一下,電容感測過程中非常常見的一種電路架構(gòu),即開關(guān)電容器電路。下圖中,圖1所顯示的是針對電容感測的經(jīng)簡化電路,該電路以電荷轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)。這一電路系統(tǒng)中的開關(guān)執(zhí)行采樣保持運(yùn)行。在采樣之間,傳感器電感器上的電荷的變化會導(dǎo)致輸出電壓的變化,然后,通過測量電壓的變化量可以確定電容值的變化。

高工應(yīng)該如何選擇電容感測架構(gòu)
圖1支持采樣保持的經(jīng)簡化開關(guān)電容器電路的電路原理圖

在這種支持采樣保持的開關(guān)電容器電路系統(tǒng)中,如果我們需要對傳感器上的電荷進(jìn)行采樣,則需要通過閉合開關(guān)S1,并且打開開關(guān)S2和S3,使傳感器電容器CS充滿電。一旦傳感器電容器CS被充滿,此時S1和S3將打開,而S2將閉合。這就使得傳感器電容器上累積的電荷被直接傳輸?shù)奖3蛛娙萜?,CH中。一旦CH被充滿,S1和S2將打開,而S3將閉合。這就強(qiáng)制地將傳感器電容器的放電,為下一次采樣做準(zhǔn)備。同時,它還會與輸出電壓電勢的緩沖(由CH保持穩(wěn)定)隔離開來。

通過上文中的介紹我們可以看出,這種開關(guān)電容器電路是一款廣泛用于電容感測的架構(gòu),其大受歡迎的原因在于這個架構(gòu)由開關(guān)操作,所以其采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)全都是去耦合的。然而,這個技術(shù)也存在一些缺點(diǎn),那就是它更容易受到噪聲的影響。由于這個傳感器具有寬頻帶特點(diǎn),來自于外部干擾源的噪聲—即使這個干擾源的運(yùn)行頻率不同于工作頻率—仍然會出現(xiàn)問題。你也許需要用于濾波的外部電路,而這將會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度,并且在濾波器引入明顯的寄生電容時,這有可能降低靈敏度。然而,如果系統(tǒng)并未暴露在寬頻帶噪聲中,這個架構(gòu)也許就足夠用了。

LC諧振槽路

在了解了開關(guān)電容器電路的電容感測原理和優(yōu)缺點(diǎn)之后,接下來我們再來看一下另一種常見的架構(gòu)類型,即LC諧振槽路。下圖中,圖2所顯示的LC諧振器是電容感測中使用的另外一個傳感器架構(gòu)。而方程式1確定了LC諧振槽路的振蕩頻率。

高工應(yīng)該如何選擇電容感測架構(gòu)
圖2簡單LC諧振槽路的電路原理圖
高工應(yīng)該如何選擇電容感測架構(gòu)
方程式(1)

這里我們需要著重看一下方程式1。從方程式1所提供的計(jì)算公式中能夠很明顯的看出,在這種電容感測架構(gòu)中,振蕩頻率只取決于諧振槽路的總電感和總電容值。因此,如果電容感測的目的在于測量電容值的變化,那么諧振槽路的總電感是固定的,而諧振器的電容組件形成了傳感器。由于電容值會隨著傳感器對目標(biāo)的響應(yīng)而發(fā)生變化,所以振蕩頻率將會改變。然后,諧振回路頻率的變化成為你的測量值,以確定測得的電容值變化。

相比較上文中我們所介紹的開關(guān)電容器電路系統(tǒng),LC諧振槽路的電路原理就顯得簡單很多了,不過雖然這種LC諧振槽路的架構(gòu)非常簡單,但這種電路所具有的幾個主要優(yōu)勢使其成為電容感測領(lǐng)域內(nèi)的一個相對新型的方法。

高工應(yīng)該如何選擇電容感測架構(gòu)
圖3LC諧振器特性曲線
 
與開關(guān)電容器架構(gòu)相比,我們所提到的這種LC諧振槽路架構(gòu),其優(yōu)勢在于,由于其內(nèi)在的窄帶特點(diǎn)(如上圖圖3所示),因此一個LC諧振器就能夠提供出色的電磁干擾(EMI)抗擾性。此外,如果在任何已知的頻率上的確存在噪聲源,有可能在不使用外部濾波器的情況下,通過移動傳感器的運(yùn)行頻率來過濾掉這些噪聲源。這將有助于增加系統(tǒng)的靈敏度,并且減少其復(fù)雜程度。

TI在其最新推出的產(chǎn)品組合中,均包含有上文所提及的這兩種電容感測的架構(gòu)類型。其中,最新一代的產(chǎn)品FDC1004是TI的開關(guān)電容器架構(gòu)版本,而FDC221x是TI的LC諧振槽路架構(gòu)版本。

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