觸控按鍵 Control IC 內部的感測電路

觸控按鍵 Control IC 內部的感測電路,目前各家 IC 廠商的做法以及擁有的專利不一,且都各有其優劣點。一般可分為弛張振盪(Relaxation Oscillator)、充放電轉換(Charger transfer)、連續近似法 CSA(CapSense Successive Approximation)…等幾種技術方式:

(1). 弛張振盪感測:

此種感測方式是使用量測 RC 充電時間的方法來做檢測。其中充電速率是由固定電流源的值和感測器電容值來做決定。比較大的電容將會需要有較長的充電時間,這一部份會運用到脈衝寬度調變器 PWM 與計時器來進行量測。當我們用手指接觸到觸控按鍵開關,就會改變電容器的介電常數,充電放電週期時間就會變長,頻率就會相對應的減小。所以,我們可以測量週期的變化,就可偵測到觸控按鍵是否有動作。

由於馳張振盪這類的設計方式是靠 RC 的常數來判斷,所以手指的之間的容量很小,當 RC 常數大到某一個程度時,則 R 值必需要增加,而其結果往往會造成觸控按鍵的阻抗增加,變成比較會受到噪訊干擾影響。

(2). 充放電轉換:

    充放電轉換從克希荷夫定理(Kirchhoff’s Circuit Laws)所發展出來的一種感測方法,靠著人體手指接觸時,電荷會經由人體、大地後再回到感測按鍵電路,以判斷觸控按鍵是否有沒有被按下的。它必須要有外部電容隨時校正以便保持偵測條件。

充放電轉換的等效電路原理為使用切換式電容器電路以及參考匯流排電容值,重複進行從較小的感測器電容器至較大匯流排電容器之間的電荷轉移步驟。匯流排電容器上的電壓值與感測器電容值兩者之間存在著比例關係,因此在固定次數的步驟後量測電壓值後或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數來決定該電容值。

(3). 連續近似法:

連續近似法也是使用量測電容充電時間方式的一種感測技術,它是由 Cypress 開發的觸控技術,適用於類比/數位混合訊號處理器的 PSoC (Programmable system-on-chip)。

以 PSoC 元件執行的連續近似法是採用一組電容對電壓的轉換器以及單斜率類比數位轉換器(ADC)。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉換至電壓值,接著將該電壓值儲存於電容器內,然後再利用可調式電流源來量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃是利用切換式電容器技術,此電路系統讓感測器電容器可依其電容值反映出對應的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內部的振盪器所產生。