家电产品的电容式触控感应技术

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1、CapacitiveSensinginWhiteGoodsApplications家電產品的電容式觸控感應技術By(RyanSeguine,PSoCCapSense產品行銷工程師,賽普拉斯半導體)ExecutiveSummaryWithalltheexcitementaboutcapacitivesensingintheportablemediaplayer,laptopPCandmobilehandsetmarkets,itiseasytoforgetthatsuchinterfacetechnologieshavebeenactivelydesigned

2、intoWhiteGoodsapplicationsforyears.Significantimprovementsinsensingalgorithmsandcontrolcircuitryhaveexpandedthesuiteofapplicationsinwhichthetechnologycanbeimplemented.Designersareseeingthevalueofcapacitivesensingasamechanicalbuttonandmembraneswitchreplacementaswellasdiscoveringnew,

3、excitingapplicationssuchastouchscreensandproximitysensors.近來在可攜式媒體播放器、筆記型電腦、手機市場中陸續出現的各項令人感到興奮的電容式感測技術之應用，讓人幾乎忘了這類介面技術早已廣泛地應用於家電用品的設計中許多年了。感測演算法與控制電路兩方面的重大進展，讓這項技術適用於更多的應用領域。設計人員看到了電容式感測技術的價值所在—不僅可取代機械式按鍵與膜片開關；並可適用於各項新穎的應用，如：觸控式螢幕與近距感測器等。感測感感感測電容測測電容電容式感測器是由導體片、接地面、與控制器所構成。在多數的應用中，

4、導體片會用一片銅製電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容(CP)。當其他如手指頭等導電物體接近感測器時，隨著該物體的電容值(CF)增加，系統的電容值也隨之增加。(如圖1)圖圖圖1.當手指頭接近感測測測器測器器器時時，電容值之隨之變化要偵測由CF造成電容值增加的方法有好幾個。場域效應(FieldEffect)量測方法中，在感測電容器與系統參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監測電流在分壓器上的改變可以感測到手指觸碰時所產生的電容值變化。電荷轉移(ChargeTransfer)則使用切換式電容器電路以及參考匯流排電容值，重覆進行從較小的[+

5、]Feedback感測器電容器至較大匯流排電容器之間的電荷轉移步驟。匯流排電容器上的電壓值與感測器電容值兩者之間存在著比例關係，因此在固定次數的步驟後量測電壓值，或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數，來決定該電容值。另外，弛張振盪器(relaxationoscillator)則是用量測充電時間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和感測器電容值所決定的。較大的感測器電容器需要較長的充電時間，這部份通常能運用脈衝寬度調變器(PWM)與計時器來進行量測。至於連續近似法(SuccessiveApproximation)也是量測電容充電時間的方法，不同的是

6、當中的起始電壓是由連續近似法所決定的。以PSoC元件執行的連續近似法(Cypress申請之專利)採用一組電容對電壓的轉換器以及單斜率類比數位轉換器(ADC)。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉換至電壓值，接著將該電壓值儲存於電容器內，然後再利用可調式電流源來量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃是利用切換式電容器技術，此電路系統讓感測器電容器可依其電容值反映出對應的電壓值。切換式電容器所用的時脈則是由PSoC本身內部的振盪器所產生。感測器電容器連接到類比多工匯流排上，並利用同樣連接匯流排的可編程電流輸出數位類比轉換器(iDAC)進行充電。每個匯流排上

7、充電電量為q=CV。當SW2為開路且SW1為閉路時，跨CX兩端的電位勢為零，且會減低匯流排上的電量，所減低的值與感測器的電容值成比例。這種充放電的動作會一直重覆，此時感測器電容器也會成為匯流排上的電流負載。(如圖2)圖圖圖2.以以以PSoC元件執行的連續近似法[+]Feedback藉由切換式電容器的電路運作，iDAC就會以二元搜尋法的方式決定出匯流排上恆定的電壓值有多少。該電壓值會影響切換式電容器的切換頻率、感測器電容值、以及iDAC的電流值。匯流排其實也等同於一個旁路電容器（bypasscapacitor），可以穩定最終電壓。在匯流排上也可以增加額外的電容

8、器，以調整電路的行為與時序。1V=IXDACfCOS