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剖析電容式觸摸感應檢測方式與遲滯比較器

上篇文章《一文搞懂觸摸感應原理》中提到兩種檢測電容觸摸感應的方式,其中一種便是諧振式,即人手直接或間接觸摸感應焊盤時,Csensor增大,導致CA(Comparison Amplifier)輸出端方波頻率變化,MCU檢測這種變化并作出響應。下圖中的畫法比較簡要,本篇文章就詳細分析這個電路,并在此基礎上作出一些延伸設計。

上圖中的檢測部分可以等效為如下電路:

我們都知道LM393比較器內部結構決定了其開漏輸出,必須要接R4上拉電阻,所以比較器輸出端輸出低電平時為0,輸出高電平時并不是嚴格等于VCC而是略小一些,這里為簡化計算,認為等于VCC,同時假設同相端電壓為Vref,假設反相端電壓為Vi,分析下這個電路工作原理:

  1. 第一階段:上電初始階段,比較器反相輸入端的電容Cx開始充電,起始電壓可以認為是0V,同相輸入端電壓取決于R1、R2、R3、R4分壓,可以得出R2兩端電壓大于0V,所以比較器輸出端輸出高電平;
  2. 第二階段:比較器輸出端輸出高電平VCC,由KCL定律可知,(VCC-Vref)/R1+(VCC-Vref)/R3=Vref/R2。Vout電壓通過Rc*Cx網絡給Cx充電,充電時間與電壓遵循公式T=Rc*Cx*ln((VCC-V0)/(VCC-Vi)),Vi電壓值逐漸增大,當Vi>Vref時,比較器輸出電壓由高電平切換至低電平;
  3. 第三階段:比較器輸出端輸出低電平0,由KCL定律可知,(VCC-Vref)/R1=Vref/R3+Vref/R2。此時Rc*Cx網絡開始釋放電荷,Vi電壓值逐漸減小,當Vi<Vref時,比較器輸出電壓由低電平切換至高電平。

后續為第二階段與第三階段依次循環,因此比較器輸出端輸出方波信號。

根據第二階段與第三階段中的兩個公式分別計算Vref:

由此可見,在比較器輸出高、低電平時Vref的值是不同的,如果把Vref較小值定義為Vth1,較大值定義為Vth2,方波周期將滿足如下關系:

由上式可知,輸出方波的頻率和Rc、Cx、Vth1、Vth2相關,在電容觸摸感應應用中,Cx值發生變化,保持其他三個變量不變。

Pspice仿真結果如下:

Cx=10pF

Cx=1pF

延伸應用:遲滯比較器

以上含有Vth1,Vth2兩個閾值的電路是一個具有遲滯傳輸特性的比較器,即遲滯比較器。在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入正反饋網絡,就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器。

典型應用電路(注意此典型應用電路中比較器供電為雙電源):

門限電壓計算:

傳輸特性曲線:

遲滯比較器在光感傳感器中有廣泛應用,例如傳感器檢測外界太陽光光強轉換成電壓信號,電壓達到一定閾值時執行相應的動作。若不加遲滯比較器而直接判斷電壓,在臨界電壓點將會發生抖動,即表現為誤觸發,加上遲滯比較器電路可設置兩個不同的門限電壓,必須在經過一定的門限寬度后才能實現輸出端電壓變化,具有較好的抗干擾性。

下面計算兩個門限電壓:

Pspice仿真結果:

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資料明細:仿真資料
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  • NeilW 2023-12-29 11:25
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  • zhou2013 2023-06-30 12:18
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  • dy-MGSdRJkM 2022-06-30 18:48
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  • quinoy 2022-05-14 03:57
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