松弛振荡器触摸感应技术

松弛振荡器也称之为驰张振荡器,松弛振荡器触摸感应技术将感应电极电容与一个电阻作为锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到感应电极,感应电极上的电压随时间近似线性增加。该电压提供给比较器一个输入,而比较器的输出连接到一个与感应电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时,比较器改变状态,实现开关动作———对定时电容放电,打开开关,这个动作将周期性的重复下去。其结果是,比较器的输出是脉冲串,其频率取决于总的定时电容的值。感应传感器根据频率或周期的变化来报告有无触摸的状态 。

Microchip提供带松弛振荡器触摸感应电路的MCU芯片,如图2.19所示。MCU 芯片内集成的双比较器和RS触发器与感应电极电容CP和 120kΩ电阻构成松弛振荡器。由双比较 器组成双门限 电压比较器,上限电压为2VDD/3由芯片内部电压参考源提供,下限电压为VDD/4由外部电阻分压提供 。当感应电极电容上的电压低于下限电压时,上下比较器均输出高电平,RS 触发器的S端为0,R端为 1,RS触发器的反向输出端输出高电平,该高电平经120kΩ电阻向CP充电。当CP上的电压大于下限低于上限,S和R均为0,输出保持不变,CP继续被充电。当CP上的电压大于上限时,S端为1,R端为0,RS触 发 器 输出反转,CP经120 kΩ电阻放电。这时CP上的电压又大于下限低于上限,S和R 均为0,输出保持不变,CP继续 放电。当CP上的电压由于放电低于下限电压时,S端为0,R 端为1,RS触发器输出又反转输出高电平为CP 充电。如此重复形成振荡 。

当电源电压被确定以后,该松弛振荡器的振荡频率取决于RCP的时间常数,R(R=120 kΩ)一旦被确定,频率与CP成反比。当有手指触摸感应电极时,由于存在手指电容CF,CP变成了

CP+CF,充电放电周期就变长,频率将减少。该频率可以通过MCU内的两个定时器来测量。定时器0产生一个固定时间间隔的中断以读取定时器1测量到的频率计数值。 如图2.19的右半图。

松弛振荡器的充放电波形和RS触发器的输入输出真值表如图2.20和图2.21所示。事实上,对于使用松弛振荡器来测量电容的变化进而来判断有无手指的触摸,它既可以通

过测量频率来实现,也可以通过测量周期来实现。测量频率 ,是计算固定时间内松弛振荡器

的周期数。如果在固定时间内测到的周期数较原先校准的为少,则此感应开关便被视作被按压。测量周期,是在固定次数的张弛周期间计算系统时钟周期的总数。如果感应开关被按压,则张弛振荡器的频率会减少,则在相同次数周期会测量到更多的系统时钟周期。

无论是测量频率还是测量周期,对于带触摸感应功能的MCU芯片来讲都很容易实现。因为MCU 通常都会包含定时器或P W M 数字资源,可以用它们方便地测量频率或周期。除此之外,MCU在实现触摸感应功能的同时,在MCU资源允许的情况下还能实现其他MCU可以实现的功能 。 Si l ico nLabs的MCUC8051F93x 92x系列芯片使用一个片内自带的比较器加少量的外部元件实现松弛振荡器功能,通过片内定时器和模拟多路选择器可以实现多路触摸感应按键探测。

参考图2.22,S w i t ch为感应电容按键,当比较器输出为高电平时(接近或等于VDD),该电压将通过电阻R2为感应电容充电。因为分压电阻和正反馈电阻均为R1,而由于比较器输出为高电平,使得比较器的 同相输入端电压等于2VDD/3。当感应电容上的电压被充电上升到2VDD/3时,比较器输出反转。感应电容经由R2开始放电,这时由于比较器输出电压为零电平,使得比较器的同相输入端电压由2VDD/3 跳变到VDD/3。所以当感应电容上的电压被放电下降到VDD/3 时,比较器输出再出现反转。如此不断重复形成振荡。振荡的频率取决于电源电压和时间常数。因此通过测量频率或周期的方法就可以检测手指的触摸动作 。

松弛振荡器触摸感应技术的优点是:电路原理简单,容易实现,没有专利的限制,灵敏度可以随着固定时间或固定振荡次数的增加或减少来灵活地调节。缺点是:由于电容感应信号对比较器来讲是高阻输入,容易受到外界干扰信号的影响,需要采用更多的软件滤波和抗干扰措施来消除噪声和干扰的影响。