何谓感测及用于电容感测的有源屏蔽

作者: David Wang

你在传感器系统中是否遇到过电容测量值的波动呢？对于这些测量值的波动有几种解释，但是最常见的根本原因是外部寄生电容干扰。这种干扰，比如说不经意间将手靠的太近或者周围区域中的电磁干扰(EMI)，需要引起我们的注意，并在系统设计时解决这些问题，其原因在于这些干扰会大大地降低系统可靠性和灵敏度。幸运的是，有几种方法可以帮助缓解这些干扰因素，这样它们就不会影响到电容测量值的读数了；其中一个方法就是有源屏蔽。FDC1004的最大特点就是有能够降低干扰并帮助集中电容传感器的感测区域。

想象一下有一条导线被连接至FDC1004通道输入中的一个。当你的手靠近这条导线并且将要接触到它时，手与导线上的信号就形成了一个闭合回路，此时人体起到了接地源的作用。如果你的手不是既定目标，那么就被视为寄生电容。解决方案是设置包裹在导线外的有源屏蔽。屏蔽驱动器是在同一电压电位，即相同波形上驱动为传感器输入的有源信号输出，所以没有电位差，因此在屏蔽和传感器输入之间就没有电容。任何外部干扰将把具有最小交互作用的屏蔽信号与传感器信号耦合在一起。图1显示的就是屏蔽传感器到FDC1004的信号线路的做法是如何减少任何干扰源对电容测量值的影响程度的。


图1：有屏蔽与无屏蔽时的比较

在电容感测应用使用屏蔽有以下几个优点：

●它将感测区域指向并集中在特定区域。
●它减小并消除寄生电容和干扰源。
●它消除了接地层上的温度变化效应。

屏蔽的指向性

在没有屏蔽时，传感器即CH检测的是传感器上方和下方的物体。根据应用的不同，同时检测上方和下方的物体是不合适的，还会错误地表示与目标相关的电容测量值。通过在CH和GND电极下方放置一个屏蔽传感器，下方的场线从根本上被阻断了；只有顶部的场线具有一个已确定的路径。图2中显示的示例有些许简化，并且不包括边缘效应。


图2：CH和GND之间的电场线

寄生电容和干扰源

良好的系统级设计原理要求接地层能够帮助减少噪声并增加信号完整性。对于电容感测应用来说，由于接地层即使不是既定的感测区域时，也会产生一个针对电场线的端接源，所以接地层会产生负面影响。如果印刷电路板 (PCB) 按照图3中相似的方式进行堆叠，将会出现边缘效应，并且会导致测量值内包含从传感器到接地层之间的电容路径上的值。通过使用传感器与接地层之间的屏蔽，可以显著地减少这个高值接地寄生电容。在理想情况下，此屏蔽将消除接地层的全部影响；但是由于边缘效应，测量值中仍然会有一个较小的寄生接地电容值。屏蔽尺寸必须远远大于传感器和接地层的尺寸，这样的话，边缘上的场线会比总体电容测量值弱很多。


图3：在有屏蔽和无屏蔽时的接地层效应

接地层上的温度效应

除了将初始寄生电容偏移引入到测量值中，温度也是导致寄生接地层电容发生变化的因素。这一现象可以看成一个随时间发生变化的偏移。这些温度造成的变化由接地层的膨胀和收缩所导致。在传感器和接地层之间插入一个屏蔽层有助于缓解寄生接地层电容对测量值的影响。

使用FDC1004时的典型实现方式

FDC1004具有驱动屏蔽驱动器引脚上400pF负载的能力。任何大于400pF的负载将会使屏蔽不能正常有效地发挥作用。输入通道与屏蔽之间的配对取决于工作模式。在单端模式中，因为两个屏蔽引脚在内部被短接在一起，CIN1到CIN4可与SHLD1或SHLD2配对。对于差分模式来说，表1列出了相位内的情况。

表1：针对差分模式的通道和屏蔽配对


例如，如果FDC1004被配置为CH1-CH4的方式，CH1将在相位内并与SHLD1配对，而CH4将在相位内并与SHLD2配对。