电容式接近感应的基础与实现

电容式电容式接近接近接近感应的基础与实现感应的基础与实现感应的基础与实现（（第一部分第一部分））

作者：Ganesh Raaja Cypress 半导体公司

理解该日益流行的开关技术的概念以及硬件理解该日益流行的开关技术的概念以及硬件、、中间件中间件

电容式接近感应在过去的几年里一直是深受我们读者欢迎的话题。

电容式接近传感器被广泛在工业应用中所采用，如计算产品的输送、阀门位置的检测、判断物体是否存在等。近年来，电容式近接感应器的应用已经进入了其他领域，如汽车（无钥匙进入）和消费品（自动背光控制）。

电容式感应基础电容式感应基础

自然界中的所有物体，不论是否导电，都显示出一定的与无限远处间（实际中即为大地）的电容性。通用的电容表达式为：

随着其他物体的靠近，物体的容性会增加。容性的变化可以反映为接近物体的容性和两个物体之间的互容性。

两个物体间的互容性可以理解为平板电容的著名公式：

尽管两个物体间的实际电容依赖于二者的几何特性，但基本规律为：二者间的容性直接与物体的面积成正比，并与二者间的距离成反比。

接近接近感应感应感应

一个接近感应系统通常有一个传感器（可以是电线，PCB 板走线，或外围的一部分），一个电路来测来那个传感器的电容性，以及用来检测另一物体靠近传感器时容性变化的逻辑器件。通常用在接近感应的传感器类型为：双点式和单点式。

双点式传感器有两个传感器部件，如图图1所示。该电路测量两个传感器间的互容性C AB 。当物体靠近传感器时，该物体的互容性，对应于两个传感器部件C AX and C BX ，将使得C AB 增加。C AB 的变化被测量出来，于是接近行为也意味着检测出来。

图1：双点传感器

尽管双点感应广泛应用于很多场合，该方法的敏感性收到一定程度的降低。

单点传感器有一个单独的感应部件，如图图2所示。该电路可以测量出与大地间的电容性C A 。当一个物体接近该传感器时，该接近物体和传感器间的互容性C AX 会使得C A 增加。

图2：单点传感器

对与相同大小的传感器，单点传感器可以检测出比双点传感器更远的距离。Sigma-delta 调制器是一种高效的单点传感器的感应电容电路。 Sigma Sigma--delta 调制器调制器

图3显示了Sigma-delta 调制器的方框图。

图3：Sigma-delta 调制器

C x 表示传感器的电容，其容性是可以被测量的。SW1和SW2是先断后合式开关，通过频率为FS 的时钟源来使得相位旋转180°，FS 的频率范围在几百kHz 到几MHz。在Φ1期间，SW1关闭并对C x 充电（如图如图4）。在Φ2期间，SW2关闭并将C x 的电荷移到C INT 上。该操作以频率为F S 连续进行。进行转移的电荷量是C X 和Fs 的函数。

图4：开关式电容单元

实际上，SW1，SW2和C X 形成了一个开关式电容单元，其等效于一个如下表示的电阻：

电阻R X 对集成电容C INT 进行充电。当C INT 两端的电压超过了V REF ，比较器的输出则变高，R dis 短路C INT 并对C INT 放电。当C INT 两端的电压变低（低于V REF ），比较器的输出变低。在这个过程中，比较器尽力保持C INT 两端等于V REF 。比较器保持ON 的时间班比例表示为C X 。C X 越大，比较器输出为高的时间约久。 比特流集成

比特流集成 对于比较器的输出可用时，比较器输出的占空比可以转换为数字。如图5所示的数字逻辑实现这一转化；我们可以称之为比特流集成。

图5：比特流集成

脉宽调制的输出对比特流输出门控成一个计数器的使能输入信号。脉宽调制器和计数器受控频率为FS的时钟，该时钟还控制着调制器的开关。脉宽调制器的脉冲宽度设置成时间帧，在此期间比特流输出可以使能计数器。在脉宽调制器为ON的结束期，计数器的数值与比特流的占空比成正比。

通过设置脉宽调制器ON的时间长度，可以控制输出的分辨率。例如，如果脉宽调制器ON的时间为1024个周期，对应的分辨率为10比特。随着分辨率的增加，对应的敏感度也会增加。比特流集成的输出传输给处理逻辑。这通常由运行在微控制器中的中间件完成，而微控制器则完成对比特流集成输出变化的检测以及对应的接近行为的感应。

动态范围

动态范围

在接近感应中，我们对相关的传感器电容变化更感兴趣，而不是电容的实际值。通过调整

R

dis 和V

REF

（如图3），sigma-delta调制器的增益可以进行调整从而达到最大的动态范围。

为了获取最佳的动态范围，当传感器周围没有其他物体时，可以设置转换器的输出在全刻度的70%到80%之间。例如，如果转换器的分辨率为14，可以通过调整R

dis

从而使sigma-delta 调制器产生11500到13000个计数。

传感器的选择

传感器的选择

凡是有导电性的并与大地隔离的，都可以用作接近感应的传感器。这可以是电线的一段，PCB 板走线，或者外壳的一块金属皮等。我们将在下一章节中具体讨论传感器的尺寸。

建立优秀的系统

建立优秀的系统

进行优秀的接近感应设计更是一门艺术而非科学。各种因素影响着接近感应系统的性能。所有这些因素在设计中都需要考虑进去。

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噪声

噪声：影响有效的感应范围和可靠性的最突出因素就是噪声。系统的噪声源有很多，包括开关信号的噪声，供电的耦合噪声，参考信号的噪声，电磁干扰和射频干扰等等。该sigma-delta 调制器作为一个集成转换器，考虑了一定程度的噪声。噪声可以通过良好的硬件设计来进一步降低，如使用非耦合电容，隔离数字地和模拟地，将高频信号远离sigma-delta 调制器，以及适当的屏蔽以防止电磁干扰和射频干扰。这样的系统仍然会存在噪声，因此需要细心选择触发阈值，从而使得系统的信噪比不小于5。

图6显示了一个物体从距离传感器25cm 接近到15cm 时，对应的sigma-delta 调制器瞬时计数。注意原始计数的小波动。该波动的原因就是噪声引起的，大约是10个计数。而物体接近引起的计数变化为60，因此系统的信噪比为6。

图6：瞬时计数的显示

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传感器的大小和长度传感器的大小和长度：除了噪声，传感器的几何特性对敏感性起到的非常重要的作用。在接近感应应用中，传感器的电容和由于另外物体接近引起的电容变化，都与传感器及传感器周围物体的大小有关，最佳传感器的大小由实际工作条件下的实验所决定。 例如，如果应用在门边缘的传感器，最佳选择是长度为75cm 到200cm 的电线，原始计数、噪声以及不同长度不同感应距离的不同计数等参数必须划分出来。选择提供最大信噪比下的最大检测距离作为最佳长度。

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地面地面，，金属物体及类似物体金属物体及类似物体：：当传感器非常接近地面或金属物体时，传感器的电容会增加，因此降低了对应的敏感度。例如，一个横截面0.5平方毫米长度为25cm 的电线