一種用于電容感測(cè)的電路應(yīng)用設(shè)計(jì)

電容感測(cè)在很多應(yīng)用中大展拳腳，從接近度檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別，到液面感測(cè)。無(wú)論是哪種應(yīng)用，電容感測(cè)的決定性因素都是根據(jù)一個(gè)特定的基準(zhǔn)來(lái)感測(cè)傳感器電容值變化的能力。根據(jù)特定應(yīng)用和系統(tǒng)要求的不同，你也許需要不同的方法來(lái)測(cè)量這個(gè)變化。

在這篇博文章，我將介紹2個(gè)特定的架構(gòu)類(lèi)型—開(kāi)關(guān)電容器電路和電感器-電容器LC諧振槽路—這是當(dāng)前一種用于電容感測(cè)的電路。

開(kāi)關(guān)電容器電路

圖1顯示的是針對(duì)電容感測(cè)的經(jīng)簡(jiǎn)化電路，它以電荷轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)；電路中的開(kāi)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(huì)導(dǎo)致輸出電壓的變化，然后，通過(guò)測(cè)量電壓的變化量可以確定電容值的變化。

圖1：支持采樣保持的經(jīng)簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電容器電路的電路原理圖

要對(duì)傳感器上的電荷進(jìn)行采樣，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S1，并且打開(kāi)開(kāi)關(guān)S2和S3，使傳感器電容器，CS，充滿(mǎn)電。一旦CS被充滿(mǎn)，S1和S3將打開(kāi)，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蛛娙萜鳎珻H中。一旦CH被充滿(mǎn)，S1和S2將打開(kāi)，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）與輸出電壓電勢(shì)的緩沖（由CH保持穩(wěn)定）隔離開(kāi)來(lái)。

這是一款廣泛用于電容感測(cè)的架構(gòu)，其原因在于這個(gè)架構(gòu)由開(kāi)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(gè)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(gè)傳感器具有寬頻帶特點(diǎn)，來(lái)自于外部干擾源的噪聲—即使這個(gè)干擾源的運(yùn)行頻率不同于工作頻率—仍然會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。你也許需要用于濾波的外部電路，而這將會(huì)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(shí)，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(gè)架構(gòu)也許就足夠用了。

LC諧振槽路

圖2中顯示的LC諧振器是電容感測(cè)中使用的另外一個(gè)傳感器架構(gòu)。方程式1確定了LC諧振槽路的振蕩頻率。

圖2：簡(jiǎn)單LC諧振槽路的電路原理圖

(1)

請(qǐng)看一看方程式1，很明顯，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(cè)的目的在于測(cè)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(huì)隨著傳感器對(duì)目標(biāo)的響應(yīng)而發(fā)生變化，所以振蕩頻率將會(huì)改變。然后，諧振回路頻率的變化成為你的測(cè)量值，以確定測(cè)得的電容值變化。

圖3：LC諧振器特性曲線(xiàn)

雖然LC諧振槽路的架構(gòu)很簡(jiǎn)單，不過(guò)，這個(gè)電路所具有的幾個(gè)主要優(yōu)勢(shì)使其成為電容感測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)相對(duì)新型的方法。首先，由于其內(nèi)在的窄帶特點(diǎn)（如圖3中所示），一個(gè)LC諧振器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(guò)移動(dòng)傳感器的運(yùn)行頻率來(lái)過(guò)濾掉這些噪聲源。這將有助于增加系統(tǒng)的靈敏度（如果應(yīng)用需要高靈敏度的話(huà)），并且減少其復(fù)雜程度。