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剖析电容式触摸感应检测方式与迟滞比较器

上篇文章《一文搞懂触摸感应原理》中提到两种检测电容触摸感应的方式,其中一种便是谐振式,即人手直接或间接触摸感应焊盘时,Csensor增大,导致CA(Comparison Amplifier)输出端方波频率变化,MCU检测这种变化并作出响应。下图中的画法比较简要,本篇文章就详细分析这个电路,并在此基础上作出一些延伸设计。

上图中的检测部分可以等效为如下电路:

我们都知道LM393比较器内部结构决定了其开漏输出,必须要接R4上拉电阻,所以比较器输出端输出低电平时为0,输出高电平时并不是严格等于VCC而是略小一些,这里为简化计算,认为等于VCC,同时假设同相端电压为Vref,假设反相端电压为Vi,分析下这个电路工作原理:

  1. 第一阶段:上电初始阶段,比较器反相输入端的电容Cx开始充电,起始电压可以认为是0V,同相输入端电压取决于R1、R2、R3、R4分压,可以得出R2两端电压大于0V,所以比较器输出端输出高电平;
  2. 第二阶段:比较器输出端输出高电平VCC,由KCL定律可知,(VCC-Vref)/R1+(VCC-Vref)/R3=Vref/R2。Vout电压通过Rc*Cx网络给Cx充电,充电时间与电压遵循公式T=Rc*Cx*ln((VCC-V0)/(VCC-Vi)),Vi电压值逐渐增大,当Vi>Vref时,比较器输出电压由高电平切换至低电平;
  3. 第三阶段:比较器输出端输出低电平0,由KCL定律可知,(VCC-Vref)/R1=Vref/R3+Vref/R2。此时Rc*Cx网络开始释放电荷,Vi电压值逐渐减小,当Vi<Vref时,比较器输出电压由低电平切换至高电平。

后续为第二阶段与第三阶段依次循环,因此比较器输出端输出方波信号。

根据第二阶段与第三阶段中的两个公式分别计算Vref:

由此可见,在比较器输出高、低电平时Vref的值是不同的,如果把Vref较小值定义为Vth1,较大值定义为Vth2,方波周期将满足如下关系:

由上式可知,输出方波的频率和Rc、Cx、Vth1、Vth2相关,在电容触摸感应应用中,Cx值发生变化,保持其他三个变量不变。

Pspice仿真结果如下:

Cx=10pF

Cx=1pF

延伸应用:迟滞比较器

以上含有Vth1,Vth2两个阈值的电路是一个具有迟滞传输特性的比较器,即迟滞比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络,就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。

典型应用电路(注意此典型应用电路中比较器供电为双电源):

门限电压计算:

传输特性曲线:

迟滞比较器在光感传感器中有广泛应用,例如传感器检测外界太阳光光强转换成电压信号,电压达到一定阈值时执行相应的动作。若不加迟滞比较器而直接判断电压,在临界电压点将会发生抖动,即表现为误触发,加上迟滞比较器电路可设置两个不同的门限电压,必须在经过一定的门限宽度后才能实现输出端电压变化,具有较好的抗干扰性。

下面计算两个门限电压:

Pspice仿真结果:

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  • quinoy 2星期前
    老师,能不能发我一下资料,谢谢! qi****@****.com
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