【導(dǎo)讀】工程師接觸電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須掌握電容感測(cè)等相關(guān)知識(shí)。電容感測(cè)在很多應(yīng)用中都發(fā)揮著重要作用。接近度檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、液面感測(cè)，這些都是電容感測(cè)的某一個(gè)方面因素，但是它們的決定性都是相同的。都是根據(jù)特定的基準(zhǔn)來(lái)感測(cè)出納干起電容值的變化。本文我們就來(lái)介紹電容感測(cè)架構(gòu)的選擇。
在今天的文章中，我們將介紹2個(gè)特定的架構(gòu)類型，分別是開(kāi)關(guān)電容器電路和電感器-電容器LC諧振槽路，這也是當(dāng)前一種比較常見(jiàn)的用于電容感測(cè)的電路。下面我們就分別來(lái)看一下這兩種電容感測(cè)架構(gòu)的特點(diǎn)和不同吧。
開(kāi)關(guān)電容器電路
首先我們來(lái)看一下，電容感測(cè)過(guò)程中非常常見(jiàn)的一種電路架構(gòu)，即開(kāi)關(guān)電容器電路。下圖中，圖1所顯示的是針對(duì)電容感測(cè)的經(jīng)簡(jiǎn)化電路，該電路以電荷轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)。這一電路系統(tǒng)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
在這種支持采樣保持的開(kāi)關(guān)電容器電路系統(tǒng)中，如果我們需要對(duì)傳感器上的電荷進(jìn)行采樣，則需要通過(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充滿電。一旦傳感器電容器CS被充滿，此時(shí)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?，CH中。一旦CH被充滿，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。同時(shí)，它還會(huì)與輸出電壓電勢(shì)的緩沖（由CH保持穩(wěn)定）隔離開(kāi)來(lái)。
通過(guò)上文中的介紹我們可以看出，這種開(kāi)關(guān)電容器電路是一款廣泛用于電容感測(cè)的架構(gòu)，其大受歡迎的原因在于這個(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
在了解了開(kāi)關(guān)電容器電路的電容感測(cè)原理和優(yōu)缺點(diǎn)之后，接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看一下另一種常見(jiàn)的架構(gòu)類型，即LC諧振槽路。下圖中，圖2所顯示的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)。而方程式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
方程式（1）
這里我們需要著重看一下方程式1。從方程式1所提供的計(jì)算公式中能夠很明顯的看出，在這種電容感測(cè)架構(gòu)中，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。
相比較上文中我們所介紹的開(kāi)關(guān)電容器電路系統(tǒng)，LC諧振槽路的電路原理就顯得簡(jiǎn)單很多了，不過(guò)雖然這種LC諧振槽路的架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但這種電路所具有的幾個(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。
圖3LC諧振器特性曲線
與開(kāi)關(guān)電容器架構(gòu)相比，我們所提到的這種LC諧振槽路架構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于，由于其內(nèi)在的窄帶特點(diǎn)（如上圖圖3所示），因此一個(gè)LC諧振器就能夠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，并且減少其復(fù)雜程度。TI在其最新推出的產(chǎn)品組合中，均包含有上文所提及的這兩種電容感測(cè)的架構(gòu)類型。其中，最新一代的產(chǎn)品FDC1004是TI的開(kāi)關(guān)電容器架構(gòu)版本，而FDC221x是TI的LC諧振槽路架構(gòu)版本。
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