作者：David Wang，德州儀器

你在傳感器系統中是否遇到過電容測量值的波動呢？對于這些測量值的波動有幾種解釋，但是較常見的根本原因是外部寄生電容干擾。這種干擾，比如說不經意間將手靠的太近或者周圍區域中的電磁干擾 (EMI)，需要引起我們的注意，并在系統設計時解決這些問題，其原因在于這些干擾會大大地降低系統可靠性和靈敏度。幸運的是，有幾種方法可以幫助緩解這些干擾因素，這樣它們就不會影響到電容測量值的讀數了；其中一個方法就是有源屏蔽。FDC1004的較大特點就是有能夠降低干擾并幫助集中電容傳感器的感測區域。

想象一下有一條導線被連接至FDC1004通道輸入中的一個。當你的手靠近這條導線并且將要接觸到它時，手與導線上的信號就形成了一個閉合回路，此時人體起到了接地源的作用。如果你的手不是既定目標，那么就被視為寄生電容。解決方案是設置包裹在導線外的有源屏蔽。屏蔽驅動器是在同一電壓電位，即相同波形上驅動為傳感器輸入的有源信號輸出，所以沒有電位差，因此在屏蔽和傳感器輸入之間就沒有電容。任何外部干擾將把具有較小交互作用的屏蔽信號與傳感器信號耦合在一起。圖1顯示的就是屏蔽傳感器到FDC1004的信號線路的做法是如何減少任何干擾源對電容測量值的影響程度的。

 

圖1：有屏蔽與無屏蔽時的比較

在電容感測應用使用屏蔽有以下幾個優點：

• 它將感測區域指向并集中在特定區域。

• 它減小并消除寄生電容和干擾源。

• 它消除了接地層上的溫度變化效應。

屏蔽的指向性

在沒有屏蔽時，傳感器即CH檢測的是傳感器上方和下方的物體。根據應用的不同，同時檢測上方和下方的物體是不合適的，還會錯誤地表示與目標相關的電容測量值。通過在CH和GND電極下方放置一個屏蔽傳感器，下方的場線從根本上被阻斷了；只有頂部的場線具有一個已確定的路徑。圖2中顯示的示例有些許簡化，并且不包括邊緣效應。

圖2：CH和GND之間的電場線

寄生電容和干擾源

良好的系統級設計原理要求接地層能夠幫助減少噪聲并增加信號完整性。對于電容感測應用來說，由于接地層即使不是既定的感測區域時，也會產生一個針對電場線的端接源，所以接地層會產生負面影響。如果印刷電路板 (PCB) 按照圖3中相似的方式進行堆疊，將會出現邊緣效應，并且會導致測量值內包含從傳感器到接地層之間的電容路徑上的值。通過使用傳感器與接地層之間的屏蔽，可以顯著地減少這個高值接地寄生電容。

在理想情況下，此屏蔽將消除接地層的全部影響；但是由于邊緣效應，測量值中仍然會有一個較小的寄生接地電容值。屏蔽尺寸必須遠遠大于傳感器和接地層的尺寸，這樣的話，邊緣上的場線會比總體電容測量值弱很多。

 

圖3：在有屏蔽和無屏蔽時的接地層效應

接地層上的溫度效應

除了將初始寄生電容偏移引入到測量值中，溫度也是導致寄生接地層電容發生變化的因素。這一現象可以看成一個隨時間發生變化的偏移。這些溫度造成的變化由接地層的膨脹和收縮所導致。在傳感器和接地層之間插入一個屏蔽層有助于緩解寄生接地層電容對測量值的影響。

使用FDC1004時的典型實現方式

FDC1004具有驅動屏蔽驅動器引腳上400pF負載的能力。任何大于400pF的負載將會使屏蔽不能正常有效地發揮作用。輸入通道與屏蔽之間的配對取決于工作模式。在單端模式中，因為兩個屏蔽引腳在內部被短接在一起，CIN1到CIN4可與SHLD1或SHLD2配對。對于差分模式來說，表1列出了相位內的情況。

 

表1：針對差分模式的通道和屏蔽配對

例如，如果FDC1004被配置為CH1-CH4的方式，CH1將在相位內并與SHLD1配對，而CH4將在相位內并與SHLD2配對。

其它資源：

• 下載 FDC1004數據表。

• 用FDC1004EVM獲得電容感測技術使用的第一手資料。

• 查看較新的TI Designs參考設計，了解用于系統喚醒和中斷的基于電容的人體接近程度檢測。

• 在德州儀器在線技術支持社區電容感測論壇中搜索與你的設計相關的答案并獲得幫助。