问:什么是电容传感器?

答:当某物或某人接近或接触传感器时，电容传感器会检测到电容的变化。该技术已在工业应用中使用多年，用于测量液位、湿度和材料成分。一个正在广泛使用的较新的应用是人机界面。机械按钮、开关和jog轮一直被用作用户和机器之间的接口。然而，由于它们的许多缺点，界面设计师越来越多地寻找更可靠的解决方案。电容式传感器可以像按钮一样使用，但它们也可以具有更大的通用性，例如，当实现128个位置的滚动条时。

专门设计用于在人机界面应用中实现电容传感的集成电路现在可以从Devices获得。例如，AD7142和AD7143可以分别刺激和响应多达14个和8个电容传感器。它们为电容传感器提供激励，感知由用户的接近引起的电容变化，并提供数字输出。

问:电容感应是如何工作的?

答:一个基本的传感器包括一个接收器和一个发射器，每一个都由在印刷电路板(PCB)层上形成的金属走线组成。如图1所示，AD714x具有片上励磁源，该励磁源连接到传感器的发射器走线。在接收机和发射机走线之间形成电场。大部分电场集中在传感器PCB的两层之间。然而，条纹电场从发射机延伸出PCB，并在接收器处终止。接收机处的场强由片上的西格马 - 得尔塔电容-数字转换器测量。当人的手进入边缘电场时，电环境发生了变化，部分电场被分流到地面，而不是在接收器处终止。由此产生的电容的减少——与大部分电场的飞法拉相比，在飞法拉的数量级上——由转换器检测到。

一般来说，电容传感解决方案有三个部分，所有这些都可以由器件提供。

• 驱动IC，它提供激励，电容-数字转换器和补偿电路，以确保在所有环境下的准确结果。

• 传感器——带有走线图案的PCB，如按钮、滚动条、滚动轮或某些组合。走线可以是铜、碳或银，而PCB可以是FR4、flex、PET或ITO。

• 软件在主机微控制器上实现串行接口和设备设置，以及中断服务程序。对于滚动条、滚轮等高分辨率传感器，主机运行软件算法实现高分辨率输出。按钮不需要软件。

问:电容式传感的优点是什么?

答:电容传感器比机械传感器更可靠，原因有很多。由于没有活动部件，因此不会对传感器造成磨损，传感器有覆盖物保护，例如MP3播放器的塑料覆盖物。人类永远不会直接接触传感器，所以它可以密封远离污垢或溢出物。这使得电容传感器特别适用于需要定期清洁的设备，因为传感器不会被粗糙的磨料清洗剂损坏，也适用于手持式设备，其中意外溢出的可能性(例如，咖啡)不可忽略。

问:告诉我更多关于AD714x ic如何工作的信息。

答:这些电容-数字转换器专为人机界面应用中的电容感应而设计。器件的核心是一个16位的西格马 - 得尔塔电容-数字转换器(CDC)，它将电容输入信号(由开关矩阵路由)转换为数字值。转换的结果存储在片上寄存器中。片上激励源为250 khz方波。

主机通过串行接口读取结果。AD7142具有SPI 或I(2)C 兼容接口，具有14个电容输入引脚。AD7143具有I(2)C接口，具有8个电容输入引脚。串行接口，随着中断输出，允许设备很容易地连接到任何系统的主机微控制器。

这些设备与多达14个外部电容传感器接口，排列成按钮、条、轮或传感器类型的组合。外部传感器由直接与IC接口的2层或4层PCB上的电极组成。

通过对片上寄存器进行编程，可以将器件设置为与任何一组输入传感器接口。寄存器也可以编程来控制每个外部传感器的平均和偏移调整等功能。片上定序器控制每个电容输入是如何轮询的。

AD714x还包括片上数字逻辑和用于环境补偿的528字RAM。湿度、温度等环境因素会影响电容式传感器的工作;因此，对用户透明，设备执行连续校准以补偿这些影响，在任何时候都提供无误差的结果。

AD714x的关键功能之一是灵敏度控制，它为每个传感器赋予不同的灵敏度设置，控制用户触摸激活传感器的软或硬程度。这些独立的激活阈值设置决定了传感器何时处于活动状态，在考虑不同尺寸传感器的操作时至关重要。例如，一个应用程序有一个大的、直径10毫米的按钮和一个小的、直径5毫米的按钮。用户希望用相同的触摸压力激活两者，但电容与传感器面积有关，因此较小的传感器需要更大的触摸来激活它。最终用户不应该为了同样的效果而按压一个按钮比另一个按钮更用力，所以为每个传感器设置独立的灵敏度可以解决这个问题。

问:如何考虑环境因素?

答:AD714x连续测量传感器的电容水平。当传感器不工作时，测量到的电容值被存储为环境值。当用户靠近或接触电容传感器时，测得的电容会减小或增大。阈值电容水平存储在片上寄存器中。当测量的电容值超过上限或下限阈值时，传感器被认为是活动的(如图4所示)，并且断言中断输出。

图4显示了一个理想的情况，其中环境电容值没有变化。在现实中，由于温度和湿度的变化，环境电容不断地不可预测地变化。如果环境电容值变化足够大，则会影响传感器的激活。图5中，环境电容值增大;传感器1正确激活，但当用户试图激活传感器2时，出现错误。环境值增加了，因此从传感器2测量到的电容变化不足以使该值低于下阈值。无论用户做什么，传感器2现在都不能被激活，因为在这种情况下，它的电容不能降到阈值以下。更糟糕的可能是环境电容水平继续增加，直到超过上限。在这种情况下，传感器1将处于活动状态，即使用户没有激活它，它将保持活动状态——传感器将“卡住”——直到环境电容下降。

片上逻辑电路处理环境电容水平变化的影响。如图6所示，阈值水平不是恒定的;它们跟踪环境电容水平的任何变化，保持与环境水平的固定距离，以确保由于用户激活引起的电容变化总是足以超过阈值水平。阀值水平由片上逻辑自动调整，并存储在片上RAM中。不需要用户或主机处理器的输入。

问:电容感应是如何应用的?

答:如前所述，传感器迹线可以是任意数量的不同形状和大小。按钮，轮子，滚动条，手柄和触摸板的形状可以布置在传感器PCB上的走线。图7显示了电容传感器布局的选择。

传感器

按钮
8路开关
滑块
轮
键盘
触控板

图7。电容传感器的选择。

设计师可以选择许多实现用户界面的方法，从简单地用电容式按钮传感器替换机械按钮，到使用具有8个输出位置的手柄或具有128个输出位置的滚轮来消除按钮。

可以使用单个设备实现的传感器数量取决于所需传感器的类型。AD7142具有14个电容输入引脚和12个转换通道。AD7143有8个电容输入和8个转换通道。下表显示了每种传感器类型所需的输入引脚数量和转换级。任何数量的传感器都可以组合，直到可用输入和通道数量所确定的限制。

在所有连接的传感器上依次进行测量-以“循环”的方式。所有的传感器都可以在36毫秒内进行测量，这样就可以同时检测到每个传感器的状态，因为用户在40毫秒内激活或停用传感器需要非常快的速度。

问:你能为初次用户提供什么样的设计帮助?

答:器件有许多可供电容传感器设计人员使用的资源。设计过程的第一步是确定应用中需要哪种类型的传感器。用户是否需要快速浏览长列表，比如手机上的联系人或MP3播放器上的歌曲?如果是这样，请考虑使用滚动条或滚动轮，以便用户快速有效地浏览这些列表。用户是否需要控制光标在屏幕上移动?X-Y手柄非常适合这个应用程序。一旦确定了所需传感器的类型、数量和尺寸，传感器PCB设计就可以开始了。

作为可用于电容传感的设计资源的一部分，Mentor Graphics PADs布局库可在线获得。这个库中有许多不同类型和大小的传感器作为组件，可以直接拖放到PCB布局中。该库可作为触摸控制器系统框图的交互式部分。还有an -854，这是一份应用说明，提供了如何使用传感器库快速布局所需传感器的详细信息、提示和技巧。

在设计PCB时，将AD7142或AD7143与传感器放在同一板上，以尽量减少由于移动连接器和改变电容而导致系统错误的机会。例如，其他组件，led，连接器和其他ic可以与电容传感器放在相同的PCB上，但传感器PCB必须粘接或粘贴到覆盖材料上，以防止传感器上方的气隙，因此PCB上任何其他组件的放置必须考虑到这一点。

对于关注射频噪声的应用，可以使用RC滤波器来最大限度地减少与传感器的任何干扰。在传感器周围使用一个接地平面也可以减少任何干扰。

PCB可以有两层或四层。当传感器有源区域之外没有空间用于IC和传感器之间的路由时，必须使用4层设计，但如果有足够的路由空间，则可以使用2层设计。传感器走线和电容输入引脚之间允许的最大距离为10厘米，但一个传感器可以在一个方向上距离引脚10厘米，而另一个传感器可以在相反方向上距离引脚10厘米，传感器之间允许20厘米。

问:我的传感器PCB准备好了，现在怎么办?

答:众所周知，电容很难模拟，因此必须对每个应用中的传感器响应进行表征，以确保AD7142/AD7143为应用设置最佳。此表征过程只需要在每个应用程序中进行一次，然后对每个单独的产品使用相同的设置值。

在应用中对传感器进行了表征。这意味着任何覆盖材料都必须在传感器的顶部，任何其他可能对传感器性能产生影响的pcb或组件都必须在传感器周围。

对于每个转换通道，我们需要配置:

• 从设备的C(IN)输入引脚到转换器的内部连接。这确保了每个传感器使用一个转换通道连接到转换器。

• 传感器偏移值，为C(BULK)偏移。这是与电场相关的电容，它被限制在PCB内，在发送器和接收器电极之间。当传感器处于活动状态时，该值不会改变，而是为测量条纹电容值提供恒定的偏移。

• 上下偏移寄存器的初始值。芯片内逻辑使用这些值来确定每个传感器的激活阈值。

执行表征的最简单方法是将传感器PCB连接到AD7142/AD7143评估板(可从Devices获得)。评估板上包含的微控制器和软件可用于表征传感器响应并保存设置值。

问:我能期待什么样的回应?

答:传感器的实际响应由传感器从非活动状态变为活动状态时转换器的输出变化来定义。这种变化将取决于传感器的面积——传感器面积越大，传感器处于活动状态时变化越大。传感器的响应还取决于覆盖材料的厚度——如果覆盖材料非常厚(4毫米或更厚)，传感器的响应将是最小的。原因是电场不会穿透很厚的覆盖材料，因此用户将无法将足够的电场分流到地面以产生大的响应。图8是按钮传感器的典型传感器响应。在这种情况下，它显示了传感器激活和传感器非激活之间大约250 lbs的变化。

问:你提到了软件?

答:主处理器和AD7142/AD7143之间的交互是中断驱动的。主机实现串行接口，SPI或I(2)C。当传感器被触摸时，AD7142/AD7143将中断主机。然后，主机可以从片上寄存器读回数据。如果传感器是按钮，或其他简单的开/关类型传感器，主机简单地从片上状态寄存器读取回;活动按钮导致在状态寄存器中设置一个位。但是，如果传感器具有高分辨率输出，则必须在主机中断例程中运行软件算法来处理AD7142/AD7143数据。

对于与Devices签署许可协议的客户，代码是免费提供的。对于滚动条，代码通常占用500字节的数据内存和8k字节的代码内存。对于滚轮，代码通常占用600字节的数据内存和10k字节的代码内存。

Devices提供了用c代码编写的示例驱动程序，用于基本配置、按钮传感器和使用SPI和I(2) c兼容接口的8路开关。在签署软件许可后，可以使用滚轮和滚动条的示例驱动程序。

问:如何组装我的成品?

答:传感器PCB和覆盖材料或产品外壳之间不允许有气隙，因为有气隙会导致较少的电场延伸到塑料之上，从而降低传感器的响应。此外，塑料或其他覆盖材料可能在接触时弯曲，导致用户与可变电场相互作用，并导致非线性传感器响应。因此，传感器PCB应该粘在覆盖材料上，以防止形成任何气隙。

此外，传感器周围不能有漂浮的金属。请保持5厘米的“Keep Out”距离。距离传感器小于5cm的金属应接地，但距离传感器小于0.2 mm的金属不能接地。

最后，覆盖传感器活动区域的塑料应该有大约2毫米厚。较大的传感器区域应使用较厚的塑料;并且塑料厚度可达4mm。

结论

电容传感器是一种新兴的人机界面技术，正迅速成为一系列不同产品和设备的首选技术。电容传感器为各种便携式和消费产品提供创新且易于使用的接口。易于设计，它们使用标准PCB制造技术，比机械开关更可靠。他们让工业设计师自由地专注于造型，知道电容传感器可以提供适合设计的高性能接口。设计人员可以从器件的IC技术和产品组合中受益，再加上专业知识和可用的硬件和软件工具，使其尽可能容易和快速地设计电容传感器。