中心議題：

• 電容式觸摸傳感器感應原理
• 電容式觸摸接口設計

解決方案：

• 自行補償噪音的傳感器設計

直觀且耐用的電容式感應接口在許多電器（也稱為“白色家電”）和儀表中替代了機械零件，提高了產品的可靠性。由於廣泛應用於消費電子設備，用戶對於這些接口的可靠性和準確性要求較高。

然(ran)而(er)
，由(you)於(yu)電(dian)容(rong)技(ji)術(shu)會(hui)受(shou)到(dao)環(huan)境(jing)噪(zao)聲(sheng)和(he)其(qi)它(ta)的(de)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)無(wu)法(fa)響(xiang)應(ying)手(shou)指(zhi)摸(mo)觸(chu)或(huo)者(zhe)產(chan)生(sheng)錯(cuo)誤(wu)觸(chu)摸(mo)。如(ru)果(guo)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)沒(mei)有(you)很(hen)好(hao)的(de)調(tiao)試(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，那(na)麼(me)會(hui)嚴(yan)重(zhong)降(jiang)低(di)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。了(le)解(jie)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)並(bing)設(she)計(ji)出(chu)可(ke)自(zi)行(xing)補(bu)償(chang)噪(zao)音(yin)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)就(jiu)可(ke)以(yi)建(jian)立(li)起(qi)穩(wen)定(ding)的(de)係(xi)統(tong)，提(ti)高(gao)設(she)計(ji)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
、性價比和易用性。

電容式感應

解決可靠性用戶接口設計所麵臨的挑戰首先需要大概了解電容式測量係統的相關技術。圖1顯示了一個電容式傳感器板的橫截麵。

圖1：電容式傳感器板的橫截麵

要感應到手指的存在
，電容式感應係統首先要知道沒有手指時的傳感器電容（見圖2a）
，也稱為寄生電容（Cp）。當手指接近或接觸傳感器時（見圖2b）
，傳感器電容值將會變化
，這就產生了和Cp並聯的另一個電容
，稱為手指電容（Cf）。有手指存在時，總傳感器電容（Cx）如方程1所示：

Cx = Cp +_ Cf （方程1）

                                                                              
圖2（a）：沒有手指時的傳感器電容     （b）：手指存在時的傳感器電容[page]

為了能夠使用微控製器來分析傳感器電容，傳感器電容（Cf）需要轉換成數字值。圖3顯示了其中一種電容式感應預處理電路框圖。（注：有多種測量傳感器電容的方法。）

圖3：電容測量預處理電路

該係統使用一個開關電容模塊模擬傳感器電容Cx、一個電阻Req、一個可編程電流源（IDAC）
、一個外部電容（Cmod）以及一個精確模擬比較器。IDAC不斷給Cmod充電
，直到Cmod電壓達到Vref
，比較器輸出高電平。然後斷開IDAC，Cmod通過Req放電，直到Cmod電壓低於Req。比較器的出低電平，一直保持到Cmod又給Vref充電。手指存在時Cx將變大，根據方程2將等效於Req變小：

Req = 1/FsCx （方程2）

這裏Fs是開關電容模塊的開關頻率。

因此，當手指存在時
，Cmod放fang電dian加jia快kuai
，比bi較jiao器qi輸shu出chu保bao持chi高gao電dian平ping的de時shi間jian較jiao短duan。這zhe意yi味wei著zhe對dui於yu比bi較jiao器qi來lai說shuo，更geng高gao的de電dian容rong值zhi對dui應ying短duan時shi間jian。在zai固gu定ding時shi間jian內nei，產chan生sheng的de碼ma流liu可ke輸shu入ru至zhi計ji數shu器qi。該gai計ji數shu器qi值zhi或huo“原始計數”提供了Cx大小的參考。

在(zai)固(gu)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)計(ji)數(shu)，也(ye)決(jue)定(ding)了(le)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)的(de)數(shu)目(mu)，可(ke)以(yi)稱(cheng)為(wei)分(fen)辨(bian)率(lv)。當(dang)分(fen)辨(bian)率(lv)增(zeng)加(jia)時(shi)
，計(ji)數(shu)器(qi)計(ji)數(shu)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)，這(zhe)就(jiu)增(zeng)加(jia)了(le)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，分(fen)辨(bian)率(lv)也(ye)是(shi)可(ke)能(neng)的(de)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)的(de)最(zui)大(da)數(shu)目(mu)。

調試

圖4顯示了電容式觸摸接口的設計流程。然而，在實際運用中，部件變化
、運行環境及噪聲都會影響傳感器的性能和可靠性。

圖4：觸摸感應接口設計流程[page]

調試是一個關鍵的步驟，用來確保傳感器能正常和持續運作。通過調試傳感器一係列參數的最佳值來保證足夠的信噪比（SNR）和手指閾值。一般說來，滿足傳感器設計可靠性的最低要求是達到5:1的信噪比（見圖5）。為了避免大氣變化引起電容變化造成的假觸發，建議手指閾值為信號強度的65-80%之間
，以確保可靠的手指檢測。

圖5：原(yuan)始(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)由(you)手(shou)指(zhi)響(xiang)應(ying)和(he)噪(zao)音(yin)構(gou)成(cheng)。手(shou)指(zhi)響(xiang)應(ying)
，也(ye)稱(cheng)為(wei)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)
，是(shi)當(dang)手(shou)指(zhi)放(fang)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)時(shi)通(tong)過(guo)感(gan)應(ying)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)的(de)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)的(de)差(cha)別(bie)

chuanganqikongzhiqishengchanchangshanghuizaitiaoshiguochengzhongtigongzhinanlaibangzhugongchengshi，quebaoxitongdadaolixiangdecanshu。dianrongshiganyingsuanfadechuanganqikongzhiqishixianguochengleisitu3
，調試過程將按照如圖6顯示的步驟。

圖6：調試電容感應係統

開發人員可以通過如下方式實現參數調試：可以在固件裏根據傳感器具體操作編寫代碼（通外部元件）或者配置控製器。使用固件方法比較彈性，但當參數調試需要改變時，固件也需要修改和更新。

設計者也可通過使用固定功能/不可編程的電容式傳感器控製器來簡化係統固件開發。在這種情況下
，參數調試必須使用板上外部組件實現或通過通信接口（如）發送配置數據。

使用這種方法時，每當調試參數需要改變，要麼需要把用戶接口板返工要麼需要更新配置數據信息。開發人員需要注意的是：調試可能是費時的，尤其是PCB或覆蓋物需要反複改變時。

生產調試

電容式傳感器的性能很大程度上依賴於傳感器板的物理性質/特征和環境/操作條件。例如，傳感器性能會受由PCB製造過程變化引起的傳感器電容變化的影響，無論是覆蓋材料、厚度變化，還是PCB供應商的變化。

挑戰還不僅僅與此。寄生電容也會隨環境條件（噪聲平麵）bianhuaerbianhua，ruwendujishidu。yinci，yigezaieerbeisishantiaoshihaoledebanzikenengzaiyanrechaoshidexianggangbunenggongzuo，zhejiuyaohuafeigengduodeshijianhelaodonglaizhongxintiaoshiyici。weileshiyouyushengchanguochengdebianhuahuogongyingshanggaibianyinqidehegelvjiangdidewentijianzhizuixiao，xuyaogenjutongjifenxilaizaitiaoshizhongjiaruyuqidechayi。

還有其他原因需要重新製作PCB，例如改變一個按鈕大小
，根據原理圖的變化移動PCB上的走線，重新設計PCB尺寸來解決不同的EMC/EMIwentidengdeng。suoyoudezhexiexiugaidouxuyaojiangchuanganqizhongxintiaoshiyici。ciwai，tiaoshiguochengxuyaotongxinxieyihezhuchuliqiguanchahefenxiyuanshichuanganqishuju。youyuzuihouyibanhouhaixuyaotiaoshi，guxuyaoewaideI/O來解決係統潛在的問題。

調(tiao)試(shi)工(gong)作(zuo)需(xu)要(yao)很(hen)多(duo)芯(xin)片(pian)相(xiang)關(guan)的(de)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)和(he)經(jing)驗(yan)，並(bing)理(li)解(jie)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)在(zai)低(di)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)對(dui)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)嚴(yan)格(ge)的(de)電(dian)器(qi)市(shi)場(chang)，調(tiao)試(shi)可(ke)能(neng)大(da)大(da)延(yan)遲(chi)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。[page]

為了做到有效的成本控製並滿足市場需求，最有效地調試辦法就是電器本身來控製。理想的自調試係統所要完成的任務如圖7所示。

圖7：自調試電容式感應係統

在自調試電容式感應係統中，可用多種算法來實現觸摸感應係統。基本上來說，電器自調試和手動調試沒有什麼不同。如圖7所示，有些任務一上電就會執行完畢（一次補償），而有些必須不斷執行（動態補償）。

一次補償

自調試電容式感應係統必須基於電器和預期的操作環境為傳感器計算最佳參數設置。

時鍾：benwentidaodedianrongshiganyingxitongshijiyukaiguandianrongyuanlide。xiangfan
，wulishangdechuanganqidianrongtongguozailianxuzhouqineigeichuanganqidianrongchongfangdianmonichengledianzu。monidianzuhechuanganqidianrongzhichengzhengbi
，keyiyongdianliuyuanheyigeshumozhuanhuanqilaijisuanchuanganqidianrongshijizhi。

qiadangdedengxiaodianzuyaoqiuchuanganqidianrongzaiyigepinlvxiachongfangdian，yaoyouzugoudeshijianrangdianrongwanquanchongfangdian。yinci，kaiguanpinlvyinggaiyizhaojueduichuanganqidianronglaitiaozheng，ruguochuanganqidianrongjiaogaoyinggaijiangdipinlv。

分辨率： 因yin為wei係xi統tong將jiang傳chuan感gan器qi電dian容rong轉zhuan化hua為wei計ji數shu
，可ke以yi測ce量liang的de最zui小xiao電dian容rong變bian化hua取qu決jue於yu係xi統tong的de分fen辨bian率lv。所suo需xu的de分fen辨bian率lv可ke以yi使shi用yong寄ji生sheng電dian容rong和he所suo需xu的de靈ling敏min度du來lai計ji算suan。

掃描時間：congxitongguigefangmianlaikan，zheshiyigezhiguanzhongyaodetiaoshicanshu。raner
，suizhesaomiaofenbianlvdetigao，xitongdezaoshengjianghuizengjia。weilemibuzaoshengdejiada，chuanganqidesaomiaoshijianbixu“拉長”來整合噪聲，降低其對電容測量的影響。

自調試算法必須小心
，因為它不會超過係統要求外的掃描時間。最好的掃描時間處理方式就是布板時保持寄生電容盡可能低。

IDAC值：在選擇掃描分辨率之上，傳感器基線測量（即當手指不存在時的原始計數）必須自動調整接近最大計數的80%，以確保環境條件和芯片參數變化都不會影響傳感器測量精度或檢測手指觸摸的準確性。
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動態補償

噪zao聲sheng是shi一yi個ge隨sui機ji時shi間jian函han數shu，由you其qi自zi身shen性xing質zhi決jue定ding。工gong作zuo一yi個ge小xiao時shi後hou和he剛gang開kai機ji時shi是shi不bu一yi樣yang的de，下xia一yi個ge時shi刻ke又you不bu相xiang同tong。因yin此ci，手shou指zhi檢jian測ce的de閾yu值zhi應ying基ji於yu傳chuan感gan器qi原yuan始shi計ji數shu檢jian測ce到dao的de噪zao聲sheng來lai調tiao整zheng。圖tu8顯示了自調試係統如何基於係統噪聲調整手指閾值。

圖8：基於噪聲動態調整手指閾值

電器自調試實施的穩定性

、可靠性和效率主要取決於兩個因素：信噪比和掃描時間。確保自調試傳感器和Cp的信噪比總是在最低要求5:1之zhi上shang，以yi保bao證zheng穩wen定ding性xing和he可ke靠kao性xing。掃sao描miao時shi間jian會hui影ying響xiang自zi調tiao試shi算suan法fa的de電dian源yuan效xiao率lv，這zhe是shi由you於yu如ru果guo需xu要yao掃sao描miao傳chuan感gan器qi的de時shi間jian更geng長chang
，就jiu會hui消xiao耗hao更geng多duo的de功gong耗hao。雖sui然ran更geng長chang的de掃sao描miao時shi間jian也ye許xu適shi合he應ying用yong需xu求qiu，但dan自zi調tiao試shi算suan法fa需xu要yao在zai不bu影ying響xiang信xin噪zao比bi的de情qing況kuang下xia最zui大da限xian度du地di減jian短duan掃sao描miao時shi間jian來lai減jian少shao功gong耗hao。

在初始設計階段通常會忽略的一個最重要的因素是線路板布局
，線路板布局會影響整個係統的性能。寄生電容會影響到調試的程度、產品合格率、掃描時間以及其它一些係統特性。

設she計ji布bu局ju時shi應ying遵zun循xun由you控kong製zhi器qi生sheng產chan廠chang家jia提ti供gong的de指zhi南nan，以yi減jian少shao傳chuan感gan器qi的de寄ji生sheng電dian容rong。這zhe些xie指zhi南nan可ke以yi用yong來lai改gai善shan係xi統tong的de性xing能neng，通tong過guo自zi調tiao試shi可ke以yi幫bang助zhu開kai發fa人ren員yuan應ying對dui不bu斷duan變bian化hua的de市shi場chang需xu求qiu。例li如ru
，賽sai普pu拉la斯si提ti供gong了leSmartSense自調試電容感應解決方案，其可以自動優化掃描速度，當功耗變低時也可以保持盡可能快的掃描速度，並且保持信噪比高於5:1，以避免任何錯誤觸發。

zitiaoshikongzhiqimianqulejiyudianqiguigehecaozuotiaojiandebianhuasuoxudefanfudianrongshiganyingtiaoshi。zaimouxiejiduandelizizhong，yigechuanganqidejishengdianrongkenenghuihengao
，xuyaowaibuyuanjianheshoudongtiaoshilaishidianrongbaochizaiyigedianxingdefanwei。

對(dui)於(yu)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)在(zai)電(dian)器(qi)和(he)其(qi)他(ta)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)電(dian)容(rong)感(gan)應(ying)
，手(shou)動(dong)調(tiao)試(shi)是(shi)一(yi)個(ge)明(ming)顯(xian)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。由(you)於(yu)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)差(cha)異(yi)，需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)批(pi)次(ci)來(lai)調(tiao)試(shi)，無(wu)論(lun)是(shi)因(yin)為(wei)線(xian)路(lu)板(ban)根(gen)據(ju)需(xu)求(qiu)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)（例如
，覆蓋物厚度或按鈕大小），還是由於噪聲/幹擾問題。

調(tiao)試(shi)會(hui)改(gai)善(shan)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)手(shou)動(dong)調(tiao)試(shi)會(hui)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)並(bing)延(yan)遲(chi)產(chan)品(pin)發(fa)布(bu)。控(kong)製(zhi)器(qi)自(zi)調(tiao)節(jie)方(fang)案(an)會(hui)免(mian)去(qu)這(zhe)些(xie)成(cheng)本(ben)和(he)延(yan)遲(chi)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)不(bu)必(bi)成(cheng)為(wei)電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)專(zhuan)家(jia)就(jiu)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)的(de)係(xi)統(tong)。