電容式觸摸感應(yīng)檢測方式 遲滯比較器原理詳解

上篇文章《一文搞懂觸摸感應(yīng)原理》中提到兩種檢測電容觸摸感應(yīng)的方式，其中一種便是諧振式，即人手直接或間接觸摸感應(yīng)焊盤時(shí)，Csensor增大，導(dǎo)致CA（Comparison Amplifier）輸出端方波頻率變化，MCU檢測這種變化并作出響應(yīng)。下圖中的畫法比較簡要，本篇文章就詳細(xì)分析這個(gè)電路，并在此基礎(chǔ)上作出一些延伸設(shè)計(jì)。

上圖中的檢測部分可以等效為如下電路：

我們都知道LM393比較器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其開漏輸出，必須要接R4上拉電阻，所以比較器輸出端輸出低電平時(shí)為0，輸出高電平時(shí)并不是嚴(yán)格等于VCC而是略小一些，這里為簡化計(jì)算，認(rèn)為等于VCC，同時(shí)假設(shè)同相端電壓為Vref，假設(shè)反相端電壓為Vi，分析下這個(gè)電路工作原理：

1. 第一階段：上電初始階段，比較器反向輸入端的電容Cx開始充電，起始電壓可以認(rèn)為是0V，同相輸入端電壓取決于R1、R2、R3、R4分壓，可以得出R2兩端電壓大于0V，所以比較器輸出端輸出高電平；
2. 第二階段：比較器輸出端輸出高電平VCC，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1+(VCC-Vref)/R3=Vref/R2。Vout電壓通過Rc*Cx網(wǎng)絡(luò)給Cx充電，充電時(shí)間與電壓遵循公式T=Rc*Cx*ln((VCC-V0)/(VCC-Vi))，Vi電壓值逐漸增大，當(dāng)Vi>Vref時(shí)，比較器輸出電壓由高電平切換至低電平；
3. 第三階段：比較器輸出端輸出低電平0，由KCL定律可知，(VCC-Vref)/R1=Vref/R3+Vref/R2。此時(shí)Rc*Cx網(wǎng)絡(luò)開始釋放電荷，Vi電壓值逐漸減小，當(dāng)Vi

后續(xù)為第二階段與第三階段依次循環(huán)，因此比較器輸出端輸出方波信號。

根據(jù)第二階段與第三階段中的兩個(gè)公式分別計(jì)算Vref：

由此可見，在比較器輸出高、低電平時(shí)Vref的值是不同的，如果把Vref較小值定義為Vth1，較大值定義為Vth2，方波周期將滿足如下關(guān)系：

由上式可知，輸出方波的頻率和Rc、Cx、Vth1、Vth2相關(guān)，在電容觸摸感應(yīng)應(yīng)用中，Cx值發(fā)生變化，保持其他三個(gè)變量不變。

Pspice仿真結(jié)果如下：

Cx=10pF

Cx=1pF

延伸應(yīng)用：遲滯比較器

以上含有Vth1，Vth2兩個(gè)閾值的電路是一個(gè)具有遲滯傳輸特性的比較器，即遲滯比較器。在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器。

典型應(yīng)用電路（注意此典型應(yīng)用電路中比較器供電為雙電源）：

門限電壓計(jì)算：

傳輸特性曲線：

遲滯比較器在光感傳感器中有廣泛應(yīng)用，例如傳感器檢測外界太陽光光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓達(dá)到一定閾值時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。若不加遲滯比較器而直接判斷電壓，在臨界電壓點(diǎn)將會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，即表現(xiàn)為誤觸發(fā)，加上遲滯比較器電路可設(shè)置兩個(gè)不同的門限電壓，必須在經(jīng)過一定的門限寬度后才能實(shí)現(xiàn)輸出端電壓變化，具有較好的抗干擾性。

下面計(jì)算兩個(gè)門限電壓：

Pspice仿真結(jié)果：