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    瑞薩電容式觸摸感應技術原理之自容式觸摸原理(1)

    發布時間:2022-05-10 來源:孫煒,瑞薩電子 責任編輯:wenwei

    【導讀】設計人員所面臨的挑戰是,由于已經有了智能手機體驗,用戶期待這些產品能有同樣高性能的觸控用戶界面。如果觸控界面對輸入響應延遲太長、無法對多次觸摸做出一致的響應、或者被觸控界面上的水干擾,無疑會讓用戶對設備的信任大打折扣。


    為應對這一挑戰,瑞薩電子推出了RL78/G23、RX140、RX130、RA2L1、RA2E1等多個入門級系列通用MCU,它們通過硬件實現了第二代瑞薩電容式觸摸感應技術(簡稱CTSU2)。


    CTSU2除了支持Button、Slider、Wheel等傳統的觸摸方式之外,還能夠執行觸控界面的接近式傳感、快速并行掃描、自動掃描、多電極連接,從而實現觸摸板、3D手勢識別等高級應用。


    下面簡要介紹瑞薩電容式觸摸感應技術CTSU2的自容式檢測原理


    自容式概述


    圖1-1所示為電極中產生的自電容。自電容式按鍵中連接到電容傳感器的單個電極將測量電容量C。C的值是由電極及其周圍導體形成的寄生電容Cp和由電極及手指形成的寄生電容Cf的復合值。電容的大小可以通過電容方程式計算 圖片(參見Note部分)。由于周圍的器件是靜態的,因此Cp是常量,但Cf會隨著手指的靠近而增加。通過設置Cf增加量的閾值,可以確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。請注意,如果手指直接接觸電極,則會導致電極短路,并且無法再測量電容。通常,電極和手指之間有幾毫米厚的覆蓋面板。


    Note

    C:電容,ε:相對介電常數,S:電極的正對面積,d:電極間距


    1650975896336647.png

    圖1-1 電極中產生的自電容示意圖


    CTSU2自容式檢測原理


    圖2-1所示為自電容方式的CTSU2內部配置概覽。CTSU2輸出一個與所連接電極的電容量C成正比的數字計數值,并通過軟件確定觸摸按鍵是處于“打開”還是“關閉”狀態。連接到CTSU2時,電極會充當由傳感器驅動脈沖控制的開關電容,并從充放電電流來估測C的電容。CTSU2測量模塊具有電流-頻率轉換功能,輸入與充放電電流等效的電流,并輸出與電流量成比例的頻率。


    1650975882597374.png

    圖2-1 自電容CTSU2內部配置概覽


    圖2-2所示為CTSU2測量結果的示意圖。當傳感器驅動脈沖頻率的一個周期比C充放電時間短且充放電不足時,則沒有足夠的電流流向C,因此計數值小于理想值。當寄生電容很大時,可以通過降低傳感器驅動脈沖頻率來進行測量。當傳感器驅動脈沖頻率降低時,CTSU2可測量的最大值為50pF。請注意,當傳感器驅動脈沖頻率降低時,電流-頻率轉換功能在單位時間內的測量次數也會減少,電極的靈敏度也可能會降低??梢酝ㄟ^調整CTSU2中的寄存器設定值來增加單位時間,但完成測量所需的時間也會增加。在設計電容式電極電路時,必須均衡考慮按鍵靈敏度、測量時間和抗噪性等條件。


    1650975868799193.png

    圖2-2 CTSU2測量結果示意圖



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