電容式觸摸感應檢測方式 遲滯比較器原理詳解

上篇文章《一文搞懂觸摸感應原理》中提到兩種檢測電容觸摸感應的方式，其中一種便是諧振式，即人手直接或間接觸摸感應焊盤時，Csensor增大，導致CA（Comparison Amplifier）輸出端方波頻率變化，MCU檢測這種變化并作出響應。下圖中的畫法比較簡要，本篇文章就詳細分析這個電路，并在此基礎上作出一些延伸設計。

上圖中的檢測部分可以等效為如下電路：

我們都知道LM393比較器內(nèi)部結構決定了其開漏輸出，必須要接R4上拉電阻，所以比較器輸出端輸出低電平時為0，輸出高電平時并不是嚴格等于VCC而是略小一些，這里為簡化計算，認為等于VCC，同時假設同相端電壓為Vref，假設反相端電壓為Vi，分析下這個電路工作原理：

1. 第一階段：上電初始階段，比較器反向輸入端的電容Cx開始充電，起始電壓可以認為是0V，同相輸入端電壓取決于R1、R2、R3、R4分壓，可以得出R2兩端電壓大于0V，所以比較器輸出端輸出高電平；
2. 第二階段：比較器輸出端輸出高電平VCC，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1+(VCC-Vref)/R3=Vref/R2。Vout電壓通過Rc*Cx網(wǎng)絡給Cx充電，充電時間與電壓遵循公式T=Rc*Cx*ln((VCC-V0)/(VCC-Vi))，Vi電壓值逐漸增大，當Vi>Vref時，比較器輸出電壓由高電平切換至低電平；
3. 第三階段：比較器輸出端輸出低電平0，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1=Vref/R3+Vref/R2。此時Rc*Cx網(wǎng)絡開始釋放電荷，Vi電壓值逐漸減小，當Vi

后續(xù)為第二階段與第三階段依次循環(huán)，因此比較器輸出端輸出方波信號。

根據(jù)第二階段與第三階段中的兩個公式分別計算Vref：

由此可見，在比較器輸出高、低電平時Vref的值是不同的，如果把Vref較小值定義為Vth1，較大值定義為Vth2，方波周期將滿足如下關系：

由上式可知，輸出方波的頻率和Rc、Cx、Vth1、Vth2相關，在電容觸摸感應應用中，Cx值發(fā)生變化，保持其他三個變量不變。

Pspice仿真結果如下：

Cx=10pF

Cx=1pF

延伸應用：遲滯比較器

以上含有Vth1，Vth2兩個閾值的電路是一個具有遲滯傳輸特性的比較器，即遲滯比較器。在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入正反饋網(wǎng)絡，就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器。

典型應用電路（注意此典型應用電路中比較器供電為雙電源）：

門限電壓計算：

傳輸特性曲線：

遲滯比較器在光感傳感器中有廣泛應用，例如傳感器檢測外界太陽光光強轉換成電壓信號，電壓達到一定閾值時執(zhí)行相應的動作。若不加遲滯比較器而直接判斷電壓，在臨界電壓點將會發(fā)生抖動，即表現(xiàn)為誤觸發(fā)，加上遲滯比較器電路可設置兩個不同的門限電壓，必須在經(jīng)過一定的門限寬度后才能實現(xiàn)輸出端電壓變化，具有較好的抗干擾性。

下面計算兩個門限電壓：

Pspice仿真結果：