S kapacitnými snímačmi sa dnes stretávame v širokej škále elektronických zariadení, ako je spotrebná elektronika (mobilné telefóny, MP3 prehrávače, klávesnice), ale aj na rôzne detekcie ako sú detekcia kvapaliny (detekcia dažďa, pokles/nárast hladiny), detekcia na výrobných linkách a mnohé iné. Cieľom práce je bližšie priblížiť problematiku kapacitných prevodníkov Analog Devices, ich funkčné bloky, návrh snímacích plôch, spracovanie informácií a samotný návrh konkrétneho systému.

1. Úvod

Kapacitné snímače by mali správne fungovať, aj keď sa okolité podmienky zmenia. Táto práca priblíži, ako je to ošetrené a čo treba nastaviť. Kapacitné snímania ponúka užívateľovi rozhranie s väčšou citlivosťou a lepším ovládaním ako štandardné mechanické vstupné zariadenia.

2. Faktory ovplyvňujúce odozvu snímača

Obvody Analog Devices pre použitie kapacitného snímania potrebujú tri komponenty: kapacitno-digitálny prevodník, snímacie plochy (snímacie prvky) na doske plošných spojov (DPS) a softvér pre komunikáciu. Toto riešenie pozostáva z budiaceho zdroja pripojeného k vysielaču, ktorý vytvára pole do prijímača. Pole snímané prijímačom je konvertované do digitálnej podoby Σ-Δ analógovo-digitálnym prevodníkom. Celková meraná kapacita na prijímači sa znižuje, ak uzemnený predmet, ako je prst, sa blíži k indukovanému poľu (Obr. 1). Budiaci zdroj a Σ-Δ sú realizované na čipe, kým vysielač a prijímač sú konštruované na DPS.

Obr. 1. Pole vytvorené snímacími prvkami

Snímač DPS je pripevnený k zadnej strane alebo ku krytu konečného produktu. Pole je rozložené nad snímačom DPS asi vo vzdialenosti 4 mm. Pole je taktiež rozložené nad krycím materiálom, nad snímačom DPS. Jednou výhodou tohto usporiadania snímača je, že používateľ nie je nikdy v kontakte so samotným DPS snímačom, takže nedochádza k jeho opotrebeniu.
Vhodné krycie materiály pre použitie kapacitného snímania sú plast alebo sklo, ale kov sa nemôže použiť. Odozva kapacitného snímača závisí od troch faktorov:

• veľkosť a typ snímača
• veľkosť objektu stýkajúca sa snímača
• hrúbka a typ krytu

Každý z týchto faktorov ovplyvňuje veľkosť zmeny meranej kapacitno-digitálnym prevodníkom (CDC), pri dotyku snímača. Ak zmena CDC výstupu je veľmi malá, potom je ťažké rozlíšiť či bol snímač stlačený alebo nie.

2.1. Snímací prvok

Veľkosť snímacieho prvku určuje veľkosť poľa indukovaného medzi vysielačom a prijímačom. Menší snímací prvok má menšie pole ako väčší snímací prvok. Ak snímací prvok je príliš malý, nie je dostatočná zmena kapacity meranej CDC, pri stlačení snímača.

Dôležitý je tiež aj typ snímacieho prvku. Pre snímač typu tlačidlo je potrebná len informácia o stlačení/nestlačení. Tlačidlo môže tolerovať určitú stratu snímacej odozvy, takú veľkú, aby bolo možné zistiť, či je tlačidlo stlačené alebo nie. Pri snímači typu jazdec (Obr. 2), dáta výstupnej pozície súvisia z dĺžkou jazdca. Zníženie odozvy senzora jazdca znižuje počet kódov CDC, ktoré sa používajú na určenie celého prejdenia jazdca, čo by ovplyvnilo rozlíšenie a presnosť dát snímanej polohy jazdca.

Obr. 2. Snímač typu jazdec

2.2. Objekt stýkajúci sa snímača

Pre väčšinu aplikácií objektom je prst alebo ruka, ktorá je prirodzene uzemnená. Avšak, veľkosť objektu stýkajúci sa snímača nie je konštantná. Veľkosť prstu sa môže líšiť od osoby k osobe, alebo rovnaká osoba môže použiť rôzne prsty v rôznych časoch pre aktiváciu snímačov. Spotrebiteľské zariadenie musí byť navrhnuté pre širokú škálu veľkostí prstov, od malých až po veľké, aby bolo zaistené, že každý môže úspešne pracovať so zariadením. Akýkoľvek uzemnený predmet môže aktivovať snímače Analog Devices.

2.3. Krycí materiál

Pole vzniknuté kapacitnými plochami je rozložené asi 4 mm až 5 mm nad DPS snímačom. Toto pole sa musí rozprestierať nad celým krycím materiálom tak, aby snímač fungoval. Materiál nesmie absorbovať veľkú časť poľa. Niektoré druhy plastov sú viac vodivé než iné, a tak vzniknuté pole bude mať väčšiu intenzitu pri prechode materiálom s väčšou vodivosťou. Plastové polyméry sú určené stratovými činiteľmi získané experimentálne pri určitých podmienkach. Stratový činiteľ je miera straty materiálu. Čím nižší stratový činiteľ, tým bude väčšia intenzita kapacitného poľa pri prechode materiálom. Sklo je tiež vhodný krycí materiál. Avšak nemôže byť použitý kovový materiál.

3. AD7150

V predvolenom nastavení AD7150 pracuje v samostatnom režime s odozvou na detekciu dvomi digitálnymi výstupmi. Alternatívou je, že AD7150 môže byť prepojený s mikrokontrolérom cez sériové rozhranie. Vnútorné registre môžu byť naprogramované užívateľom definovanými nastaveniami, a dáta aj stavy možno čítať. AD7150 pracuje s napájaním 2,7 V až 3,6 V. Jadrom AD7150 je kapacitno-digitálny prevodník (CDC), ktorý umožňuje priame pripojenie kapacitného snímača.

Obr. 3. Bloková schéma AD7150

3.1. Kapacitno-digitálny prevodník (CDC)

Obrázok 4 ukazuje CDC zjednodušenú funkčnú blokovú schému. Prevodník sa skladá zo sigma delta (Σ-Δ) prevodníka druhého rádu, budiaceho zdroja a digitálneho filtra tretieho rádu. Meraná kapacita Cx je pripojená medzi budiaci zdroj a vstupom Σ-Δ prevodníka. Budiaci signál je aplikovaný na Cx počas prevodu, a prevodník nepretržite vzorkuje náboj prechádzajúci Cx. Digitálny filter spracováva výstup prevodníka. AD7150 je určený pre plávajúce kapacitné snímače, preto obe Cx snímacie prvky musia byť izolované od zeme alebo iných pevných potenciáloch v systéme.

Obr. 4. CDC bloková schéma

3.2. CAPDAC

AD7150 CDC jadro má maximálny vstupný rozsah 4 pF. Avšak, časť AD7150 môže prijať vyššiu kapacitu na vstupe. Offset (nemeniteľná zložka) kapacity, môže byť vyvážený programovo na čipe CAPDAC do 10pF. CAPDAC môže reagovať aj na negatívnu kapacitu pripojenú interne na vývod CIN. Obrázok 5 ukazuje ako použiť CAPDAC pre posun CDC 4 pF vstupného rozsahu na meranie kapacity od 10 pF do 14 pF.

Obr. 5. Využitie CAPDAC

3.3. Komparátor a prahové(threshold) režimy

AD7150 komparátory a ich prahové hodnoty môžu byť naprogramované tak, aby pracovali v niekoľkých rôznych režimoch. V adaptívnom režime, prahová hodnota je dynamicky prispôsobená a výstup komparátora indikuje rýchle zmeny a ignoruje pomalé zmeny vstupnej (snímanej) kapacity. Alternatívou je, že prahové hodnoty môžu byť naprogramované ako konštantné (fixné) hodnoty, a výstup potom indikuje akúkoľvek zmenu vstupnej kapacity, ktorá prekračuje stanovenú prahovú hodnotu. AD7150 logický výstup indikuje pozitívnu aj negatívnu zmenu vstupnej kapacity, ako v adaptívnom tak aj v konštantnom prahovom režime (Obr. 6, 7).

Obr. 6. Pozitívny treshold režim

Obr. 7. Negatívny treshold režin

V adaptívnom threshold režime, komparátory môžu pracovať ako obojstranné (window) komparátory, ktoré indikujú vstup buď vo vnútri (in), alebo mimo (out) nastaveného pásma citlivosti (obr. 8, 9).

Obr. 8. In-window threshold režim

Obr. 9. Out-window threshold režim

3.4. Adaptívný treshold

V adaptívnom režime, prahové hodnoty sú dynamicky upravené, zabezpečujúce indikáciu rýchlych zmien (napríklad objekt pohybujúci sa v blízkosti kapacitného snímača) a elimináciu pomalých zmien vstupnej (snímanej) kapacity, obvykle spôsobené zmenou okolitého prostredia, ako je vlhkosť alebo teplota, alebo zmeny dielektrického materiálu snímača v priebehu času (Obr.10).

Obr. 10. Adaptívny threshold

4.5. Priemer dát

Adaptívny prahový algoritmus je založený na výpočte priemeru z predchádzajúcich CDC výstupných dát. Odozva priemeru vstupnej kapacitnej skokovej zmeny (odozva na zmenu výstupných dát CDC) je exponenciálna krivka, ktorá môže byť charakterizovaná nasledovným vzorcom:

(1)

kde:
AVERAGE(N) je hodnota priemeru N úplných CDC prevodových cykloch po skokovej zmene na vstupe, AVERAGE(0) je hodnota pred skokovou zmenou. TimeConst je možné zvoliť v rozmedzí od 2 do 65 536 naprogramovaním ThrSettling bitov v setup registri.

Obr. 11. Odozva priemeru dát skokovej zmeny

3.6. Citlivosť

V adaptívnom prahovom režime, výstupný komparátorový prah je definovaný ako vzdialenosť (citlivosť) nad priemerom dát, pod priemerom dát, alebo oboje, v závislosti na zvolenom prahovom režime (Obr. 12). Hodnota citlivosti je programovateľná v rozsahu 0 až 255 nižších bitov z 12-bitoch CDC prevodníka.

Obr. 12. Prahová (treshold) citlivosť

3.7. Hysterézia

V adaptívnom threshold režime, komparátor predstavuje hysteréziu. Hysterézia je pevne nastavená na jednu štvrtinu prahu citlivosti a možno ju programovo zapnúť alebo vypnúť. Komparátor nemá hysteréziu v pevnom prahovom režime.

Obr. 13. Prahová hysterézia

3.8. Timeout

V prípade veľkej, dlhej zmeny vstupnej kapacity, keď priemer dát sa prispôsobuje novému stavu, čo môže trvať príliš dlho, sa dá nastaviť timeout. Timeout sa aktivuje (začne počítanie), keď CDC dáta ide mimo pásma priemer dát ± citlivosť. Keď timeout uplynie (definovaný počet konverzií CDC je spočítaný), priemer dát (a teda aj prahy), je nútený sa riadiť novými CDC hodnotami dát (Obr. 14). Timeout možné nastaviť nezávisle od approaching (pre zmenu dát smerom k prahu) alebo receding (pre zmenu v údajoch smerom od prahu). Pozri obr. 15, 16.

Obr. 14. Timeout po veľkej zmene CDC dát

Obr. 15. Approaching timeout v negatívnom treshold režime

Obr. 16. Receding timeout v negatívnom treshold režime

3.9. AutoCAPDAC nastavenie

V adaptívnom prahovom režime, časť môže dynamicky nastaviť CAPDAC pre udržanie CDC v optimálnom prevádzkovom kapacitnom rozsahu. Keď je povolená funkcia AutoDAC, CAPDAC hodnota sa automaticky zvyšuje, keď priemer dát presiahne tri-štvrtiny CDC v plnom rozsahu, a CAPDAC hodnota je zmenšená, keď priemer dát klesne pod jednu štvrtinu CDC v plnom rozsahu. AutoDAC ikrementuje alebo dekrementuje v závislosti na vybranom CDC kapacitnom vstupnom rozsahu.

3.10. Power-down časovač

V aplikáciách citlivé na napájanie, AD7150 môže byť nastavený na automatický prechod do úsporného režimu po naprogramovaní časovej periódy, počas ktorej výstupy neboli aktivované. AD7150 má možnosť sa potom vrátiť do normálneho prevádzkového režimu buď cez sériové rozhranie alebo napájaním – zapnutie / vypnutie.

3.11. Monitor napájania

Keď AD7150 V_dd napájacie napätie klesne pod definovanú úroveň, potrebnú pre správny chod CDC, monitor napájania zastaví adaptívnu prahovu logiku a drží nastavenie. Keď V_dd dosiahne požadovanú úroveň, prahová logika je uvoľnená, a priemer dát je nastavený na hodnotu prvej skončenej konverzie pri správnom napájacom napätí. Táto funkcia zabraňuje adaptívnemu thresholdu v nesprávnom nastavení po veľmi pomalom poklese Vdd napätia, alebo jeho náhodným poklesom.

Ďalšie funkcie AD7150 pokračujú v prevádzke pod monitorom napájania, až do približne 1,0 .. 1,8 V. Presná výška závisí na výrobnom procese. V prípade s nízkym V_dd napätím, časť je stále prístupná cez sériové rozhranie a pokračuje v konverzií. Avšak, výsledky konverzie môžu byť nesprávne, a preto, údaje by sa nemali považovať za platné, ak obvod funguje pod monitorom napájania. Stav monitora napájania môže byť zistený čítaním bit PwrDown vo stavovom registri AD7150.

4. Návrh kapacitného snímača

Schéma zapojenia kapacitného snímača je na obr. 17. Medzi vývodmi CIN1(CIN2) a EXT1(EXT2) sú navrhnuté jednotlivé snímacie prvky (plochy). Keďže návrh snímacích prvkov je subjektívny, navrhol som dva rôzne snímacie tlačidlá (obr. 18). Pre správnu funkčnosť sú tlačidlá odizolované od pevných potenciálov. Každé tlačidlo má EMC ochranu. Pri zmene kapacity (pri kontakte tlačidla) sa rozsvieti príslušná LED dióda, podľa toho, ktoré tlačidlo bolo stlačené.

Komunikácia prebieha cez sériové rozhranie I2C, pomocou vývodov SDA a SCL. Cez toto rozhranie môžeme meniť jednotlivé nastavenia (citlivosť, prahové režimy, timeout) alebo čítať jednotlivé stavy (power-down režim, zmena CAPDAC hodnoty, prekročenie CAPDAC hodnoty cez prahovú hodnotu, indikácia kanála na ktorom bol posledný prevod, skončenie CDC prevodu na jednotlivých kanáloch). Napájacie napätie je privedené cez konektor P1, na ktorý je pripojená vývojová doska s mikrokontrolérom ATmega32.

Obr. 17. Schéma zapojenia

Obr. 18. Doska plošných spojov

5. Záver

Kapacitno-digitálne prevodníky Analog Devices sú vhodným riešením pre kapacitné snímanie, keďže jednotlivými nastaveniami je možnosť ich použiť v rozličných aplikáciách. Ak chceme využiť už navrhnutý systém v inej aplikácií, stačí cez sériové rozhranie nastaviť jednotlivé bity. Keď sú snímacie prvky na inom DPS ako kapacitno-digitálny prevodník, je možnosť navrhnúť nové snímacie prvky a pripojiť ich ku prevodníku. Kapacitno-digitálne prevodníky Analog Devices umožňujú kompletné riešenie spracovania signálu kapacitných snímačov s nízkou spotrebou a s rýchlou dobou odozvy.

Odkazy na literatúru

1. Analog Devices, Ultra-Low Power, 2-Channel, Capacitance Converter for Proximity Sensing, 2007
   http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7150.pdf
2. Susan Pratt, Analog Devices, Factors Affecting Sensor Response, 2005
   http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/5295737729138218742AN830_0.pdf
3. Holger Grothe, Mary McCarthy, Analog Devices, EMC Protection of the AD7150, 2009
   http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-1011.pdf
4. Susan Pratt, Analog Devices, Sensor PCB Design Guidelines for the AD7142 and AD7143 Capacitance-to-Digital Converters, 2006-2007
   http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN_854.pdf

---

Spoluautorom článku je Ing. Zdenko Brezovič, PhD., Ústav elektroniky a fotoniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

---

Práca bola prezentovaná na Študentskej vedeckej a odbornej činnosti (ŠVOČ 2011) v sekcii Rádioelektronika a získala cenu IEEE, ISBN 978-80-227-3508-7