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。

raner
，youyudianrongjishuhuishoudaohuanjingzaoshengheqitadeyinsuyingxiang

，kenengdaozhixitongwufaxiangyingshouzhimochuhuozhechanshengcuowuchumo。ruguokaifarenyuanmeiyouhenhaodetiaoshichuanganqi

，namehuiyanzhongjiangdizhunquexinghekekaoxing。lejiedianrongshichuanganqidegongzuoyuanlibingshejichukezixingbuchangzaoyindechuanganqi，kaifarenyuanjiukeyijianliqiwendingdexitong，tigaoshejidekekaoxing
、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，Cmodfangdianjiakuai


，bijiaoqishuchubaochigaodianpingdeshijianjiaoduan。zheyiweizheduiyubijiaoqilaishuo，genggaodedianrongzhiduiyingduanshijian。zaigudingshijiannei

，chanshengdemaliukeshuruzhijishuqi。gaijishuqizhihuo“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：yuanshichuanganqishujuyoushouzhixiangyinghezaoyingoucheng。shouzhixiangying

，yechengweixinhaoqiangdu，shidangshouzhifangzaichuanganqishangshitongguoganyingxitongkeyikandaodeyuanshijishudechabie

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）變bian化hua而er變bian化hua，如ru溫wen度du及ji濕shi度du。因yin此ci，一yi個ge在zai阿e爾er卑bei斯si山shan調tiao試shi好hao了le的de板ban子zi可ke能neng在zai炎yan熱re潮chao濕shi的de香xiang港gang不bu能neng工gong作zuo

，這zhe就jiu要yao花hua費fei更geng多duo的de時shi間jian和he勞lao動dong來lai重zhong新xin調tiao試shi一yi次ci。為wei了le使shi由you於yu生sheng產chan過guo程cheng的de變bian化hua或huo供gong應ying商shang改gai變bian引yin起qi的de合he格ge率lv降jiang低di的de問wen題ti減jian至zhi最zui小xiao，需xu要yao根gen據ju統tong計ji分fen析xi來lai在zai調tiao試shi中zhong加jia入ru預yu期qi的de差cha異yi。

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/EMI問wen題ti等deng等deng。所suo有you的de這zhe些xie修xiu改gai都dou需xu要yao將jiang傳chuan感gan器qi重zhong新xin調tiao試shi一yi次ci。此ci外wai
，調tiao試shi過guo程cheng需xu要yao通tong信xin協xie議yi和he主zhu處chu理li器qi觀guan察cha和he分fen析xi原yuan始shi傳chuan感gan器qi數shu據ju。由you於yu最zui後hou一yi版ban後hou還hai需xu要yao調tiao試shi
，故gu需xu要yao額e外wai的deI/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：本(ben)文(wen)提(ti)到(dao)的(de)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)係(xi)統(tong)是(shi)基(ji)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)容(rong)原(yuan)理(li)的(de)。相(xiang)反(fan)，物(wu)理(li)上(shang)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)通(tong)過(guo)在(zai)連(lian)續(xu)周(zhou)期(qi)內(nei)給(gei)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)充(chong)放(fang)電(dian)模(mo)擬(ni)成(cheng)了(le)電(dian)阻(zu)。模(mo)擬(ni)電(dian)阻(zu)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)值(zhi)成(cheng)正(zheng)比(bi)
，可(ke)以(yi)用(yong)電(dian)流(liu)源(yuan)和(he)一(yi)個(ge)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)來(lai)計(ji)算(suan)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)實(shi)際(ji)值(zhi)。

恰(qia)當(dang)的(de)等(deng)校(xiao)電(dian)阻(zu)要(yao)求(qiu)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)在(zai)一(yi)個(ge)頻(pin)率(lv)下(xia)充(chong)放(fang)電(dian)，要(yao)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)時(shi)間(jian)讓(rang)電(dian)容(rong)完(wan)全(quan)充(chong)放(fang)電(dian)。因(yin)此(ci)，開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)應(ying)該(gai)依(yi)照(zhao)絕(jue)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)來(lai)調(tiao)整(zheng)，如(ru)果(guo)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)較(jiao)高(gao)應(ying)該(gai)降(jiang)低(di)頻(pin)率(lv)。

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：從(cong)係(xi)統(tong)規(gui)格(ge)方(fang)麵(mian)來(lai)看(kan)
，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)調(tiao)試(shi)參(can)數(shu)。然(ran)而(er)，隨(sui)著(zhe)掃(sao)描(miao)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，係(xi)統(tong)的(de)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)會(hui)增(zeng)加(jia)。為(wei)了(le)彌(mi)補(bu)噪(zao)聲(sheng)的(de)加(jia)大(da)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)掃(sao)描(miao)時(shi)間(jian)必(bi)須(xu)“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5:1zhishang，yibaozhengwendingxinghekekaoxing。saomiaoshijianhuiyingxiangzitiaoshisuanfadedianyuanxiaolv
，zheshiyouyuruguoxuyaosaomiaochuanganqideshijiangengchang，jiuhuixiaohaogengduodegonghao。suirangengchangdesaomiaoshijianyexushiheyingyongxuqiu，danzitiaoshisuanfaxuyaozaibuyingxiangxinzaobideqingkuangxiazuidaxiandudijianduansaomiaoshijianlaijianshaogonghao。

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。

自(zi)調(tiao)試(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)免(mian)去(qu)了(le)基(ji)於(yu)電(dian)器(qi)規(gui)格(ge)和(he)操(cao)作(zuo)條(tiao)件(jian)的(de)變(bian)化(hua)所(suo)需(xu)的(de)反(fan)複(fu)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)調(tiao)試(shi)。在(zai)某(mou)些(xie)極(ji)端(duan)的(de)例(li)子(zi)中(zhong)，一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)可(ke)能(neng)會(hui)很(hen)高(gao)，需(xu)要(yao)外(wai)部(bu)元(yuan)件(jian)和(he)手(shou)動(dong)調(tiao)試(shi)來(lai)使(shi)電(dian)容(rong)保(bao)持(chi)在(zai)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)範(fan)圍(wei)。

duiyukaifarenyuanzaidianqiheqitaxitongshixiandianrongganying，shoudongtiaoshishiyigemingxiandetiaozhan。youyushengchanguochengdechayi，xuyaogenjubutongpicilaitiaoshi
，wulunshiyinweixianlubangenjuxuqiuzhongxinsheji（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。