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(多图) 面向汽车应用的电容式触摸开关

Dave Van Ess?? 赛普拉斯半导体公司首席应用工程师?? 2006年07月09日 ?? 收藏0

  相比于大多数其它行业,人们对汽车设计寄予的期望值更高。上个周末,我和一位邻居前往电脑商店购买一个新键盘。他的电脑已经用了两年了,键盘不再好使。我们上了他的车,他开始发脾气,因为收音机的一个按钮坏了。提请您注意,这辆车服役已达12年之久,而电脑键盘才用了区区两年,但他却对自己的汽车有着更高的期待。我们都是这样。

  对于许多非汽车工程师来说,面向汽车应用的开关和按钮所遭受的设计约束他们甚至连想都想不到。它们必须应对的不利条件是:
  ●?宽温度范围
  ●?宽湿度范围
  ●?驾乘人员连续不断的污损

  与早期的车型相比,如今汽车的开关和按钮要多得多。不仅数量众多,而且还必需能够很容易地安装到外形日益多样化的操纵面之中。另外,它们还需具备成本效益性,以取代密封型开关。一种逐渐走红的方法是转变为采用电容式触摸开关(CapSense)。由于未采用机械式部件,而且能够与成形操纵面相吻合,因此CapSense开关提供了汽车行业所需要的可靠性和价位。

  如图1所示,电容式开关基本上就是一个由两根相邻走线形成的电容器;物理定律决定了在它们之间存在电容。如果把一个导体(比如:

手指)放置在靠近这些极板的地方,则一个并联电容将与该传感器相耦合。当把手指放置于电容式传感器之上时,电容将增加。拿开手指后,电容将减小。在增加了用于测量电容变化的电路之后,就可以确定手指的存在与否了。

基本的电容式传感器


  一根走线、间隔、另一根走线,这就是组成一个电容式传感器的全部所需。直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。可以借助用于后窗玻璃除雾器的玻璃印刷电路技术来把它们做在车窗上。也可以采用丝网印刷工艺将其做在保温凸雕的背部,并使之与弯曲的表面相吻合,这样它们便可适合于汽车中几乎所有的应用。

  构造一个电容式开关需要:
  ●?一个电容器
  ●?电容测量电路
  ●?用于把电容值转换成某种开关状态的局部智能。

  典型的电容式传感器具有10pF~30pF的电容值。手指通过1mm的绝缘透明塑料膜耦合至传感器的电容通常为1pF~2pF。当采用较厚的透明塑料膜时,耦合电容减小。为了检测手指的存在与否,需要设计能够测量出由手指引起的1%电容变化幅度的电容式触摸感应电路。?

  弛张振荡器是一种有效而简单的电容测量电路。典型的弛张振荡器电路拓扑结构示于图2。

典型的弛张振荡器电路拓扑结构图


  该电路由4个元件组成,一开始,放电开关处于开路状态。当该开关开路时,全部电流均进入传感器,导致其电压线性转换。该充电操作持续进行,直至传感器电压达到比较器的门限电平为止。比较器随后从低电平变换至高电平,导致放电开关闭合。电容式传感器通过该低阻抗路径迅速放电至地。该过程将使比较器的输出从高电平变换至低电平,然后重复这一循环。如下面的公式所示,输出频率(fout)与充电电流成正比,而与门限电压和传感器电容成反比。测量该频率,以确定传感器电容:

传感器电容


  当充电电流为5mA、比较器门限为1.3V且传感器电容为30pf时,输出频率为128kHz。测量输出频率花费的时间越长,获得的分辨率就越高。频率分辨率的提高将改善电容测量的灵敏度。增加测量时间将提升测量电容分辨率。在每种应用中,可根据不同的传感器尺寸和透明塑料膜厚度来相应地调整测量时间的变化。

  如果利用上面的公式来求解电容,则将得出下面的方程:

用上面的公式来求解电容


  显然,人们实际上希望测量的是输出频率的周期。图3示出了用于进行周期测量的方框图和波形。

用于进行周期测量的方框图和波形


  输出频率被用于对一个脉宽调制器PWM进行定时,PWM输出是一种由一些低电平周期再加上一些高电平周期的波形,实际数值由各个应用来决定。该信号起计数器逻辑门的作用,高电平逻辑门允许计数器以 fref的速率递增计数。在该逻辑门信号的下降沿上,生成了一个中断信号,从而使得能够对计数器进行读取和复位操作。如前文所述,当充电电流为5mA、比较器门限为1.3V且传感器电容为30pf时,将产生一个128kHz的输出频率。当采用一个6MHz基准时钟时,一个周期所累积的计数值为46,一个双周期逻辑门将产生一个93的计数值,对于10个周期而言,计数值将为468。显然,累积计数值越大,分辨率或灵敏度就越高。较大的计数值可通过以下方法来实现:
  ●?提高基准频率
  ●?降低振荡器频率
  ●?增加用于逻辑门信号的周期数量。

  可配置混合信号阵列提供了一种用于实现电容开关传感器的成本/效益型方法。图4示出了方框图。

可配置混合信号阵列


  它包含用于构建弛张振荡器的可配置模拟功能块和用于实现周期测量硬件的数字功能块。更为重要的是增设了一个I/O模拟多路复用器。每个引脚都具有一个可将其连接至一根模拟总线的开关。I/O模拟多路复用器是一种大型十字开关,使得能够

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汽车应用? 电容式? 触摸开关?

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