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将流行的“牛B新技术”---ADI的CDC技术 |
| 作者：iQanalog 栏目：模拟技术 |
应用范围见下面的文章-----它虽然是高精准的电容-数字转换技术，但却可以在操作方面带来巨变！ 上网时间：2006年2月 文章来源：电子工程专辑 作者：吉田顺子 iPod的成功引发了一场便携式设备用户界面的革命。所有那些按钮、甚至是曾经为电阻式触摸屏所青睐的微型魔棒(触摸笔)，都正在被各种各样类似iPod触控屏的产品所取代，使得这种方式成为消费市场最热门的趋势之一。 Neonode AB公司是首批利用这种新趋势的公司之一。这家新创公司已开始销售拥有专利权的光触摸屏移动电话，该技术的基本原理是把红外光束栅格反射到屏幕上。 ADI公司也在移动设备触摸屏市场投下赌注。该公司即将发布一款低功率电容传感器AD7142，可用于MP3播放器、移动电话和数码相机。 这款16位的∑-△电容数字转换器(CDC)可为各种传感器配置提供14种可编程输入方式。功能包括触控滚动条、8路位置传感器和支持弹出窗口菜单的滚动轮，所有这些都使得用户能够更轻松地快速翻阅大量音乐、图片和视频文件。 ../uploadfile/200705160206503676.gif 图1： 触摸屏瞄准便携消费类电子市场 更重要的是，ADI的CDC与其它竞争对手的解决方案相比，功耗降低了50%，ADI的高精度信号处理业务市场经理Kevin O'Connell表示。ADI公司声称，在手指触摸屏幕时，全功率模式下传感器的电流小于1毫安，而关断模式下电流小于2微安。当该传感器保持开启，但用户没有触摸屏幕时，消耗电流在50微安以下，而其它竞争对手的解决方案常常需要两倍的功率。据O'Connell指出，最重要的是，当传感器状态不变，再次触摸屏幕时，其它竞争者方案中传感器的反应时间一般为2秒，但ADI器件只需0.4秒。 ADI的电容传感器还可适应在移动环境中快速变化的温度和湿度，从而提高触摸控制的精度和可靠性，O'Connell补充道。 目前，有两家公司主宰着计算机触摸板市场：日本的ALPS ELECTRIC公司和美国加州Synaptics公司(它设计了iPod触摸板滚动轮)。随着越来越多的1级和2级消费电子公司开始开发手指触摸屏系统，对新进入的厂商而言的确存在相当大的市场空间。ADI表示其在顶级品牌和二线产品中已有一些设计中标。AD7142的批量订购单价为1.09美元，已于2月进入量产。 Databeans公司的研究主管兼首席分析师Susie Inouye认为手指触摸屏有一个主要优点。“使用触摸板的好处是用户能够在屏幕上随意移动或滚动浏览较长的列表，例如歌曲或其他文件。”Inouye表示。随着许多消费便携式产品存储容量的增大，轻松滚动浏览长列表清单的能力成为一个关键的问题。MP3播放器是触摸板应用不断增长的领域之一。Inouye还预测：“新的相机和手机可能在下一代设计中集成一个触摸板接口。” 市场上几种触摸屏技术中，最廉价的是电阻式系统，但最有市场动力的是基于电容的技术。使用电容技术的设备(像iPod)不需要导航笔，而且触摸屏更清晰。 电阻式系统包含一块涂敷有一层导电金属和一层电阻式金属的玻璃板，彼此由绝缘片隔离，其上均有电流通过。在它们上面还设置有一层防刮层。当用户触压屏幕时，上述两层在准确的接触点导通。电场变化作为触摸事件被记录下来，然后送到控制器处理。 另一方面，电容系统在屏幕顶层不需要这两层金属层，而是采用一个可以放置在“屏幕外”的电容传感器。电容触摸屏板引导电流连续流经该传感器。这使得传感器在水平和垂直轴方向上都具有精确控制的存储电荷场，由此而产生电容效应。当传感器的“常态”电容场(它的参考状态)被另一个电容场(即使用者的手指)所改变时，触摸板上每一个角的电路对这种“失真”结果进行测量并将有关触摸事件的数据送到控制器做数学处理。 “Neonode公司开发的 zForce光学屏采用了不同的技术，可以提供若干种比其它触摸屏技术更好的优势，”该公司市场经理Jonas Lofgren称。例如，屏幕记录手势的性能更好。此外，液晶显示器不需要塑料层，故移动设备上的图像更清晰，而且消费者可以用大拇指输入数据。 实质上，zForce光学触摸屏采用发光和接收二极管作为传感器。“我们通过读取红外光束是否阻断，利用板上计算机计算出用户手指的动作，” Lofgren解释道，“这种触摸确定过程每秒内可完成好几次，在设备测试时可给出你想要的精度和速度。” 对手持式设备来说，采用触摸式控制的另一个优点是小尺寸。它们比物理操纵杆、4路或8路导航控制、滑键和按钮要薄得多。“另外，它们还可使工业设计变得平滑整洁，这已证明是iPod成功的关键因素。”Lofgren表示。 * - 本贴最后修改时间：2006-10-10 0:03:18 修改者：iC921
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| 作者： iQanalog 于 2006/10/8 11:09:00 发布：
3 接近功能对于芯片内部再校准例程的拖延很重要，这个例程会在每次转换序列后运行，评估背景的变化。设计者用寄存器调整芯片满功率和低功率工作模式下的校准拖延时间，以防用户的手指在键上停留时间过长而禁止校准例程。用户手指在面板上留下的潮气会产生这种停留效果，所以强制作重新校准可以帮助保持最佳的检测性能。芯片的自适应阈值与灵敏度算法不断监控着每个传感器的输出电平，自动调整阈值水平以补偿传感器区域由于像不同大小的手指这样的因素产生的变化。 所有电传感器都会在器件用于支持检测技术的功率大小、按键刷新的频率、以及总体功率预算等之间进行一些折衷。AD7142提供满功率、低功率和器件关断工作模式。在满功率模式下，器件的所有部分都接通，并以恒定速率不断地完成转换和重新校准工作。低功率模式会降低转换频率，例如每400ms一次，直到检测到一个键按下为止，然后回复到40ms的序列（这些时序都是可编程的）。同时，一个接近计数器倒计数，如果没有发生其它按键情况，则传感器再回到 400ms的周期。对于这些时序，低功率模式将芯片的总功耗从1mA降低到大约平均50mA的水平。关断模式可将静态电流降低至约2mA。 3D成像 Freescale 的产品专家 Brad Stewart 解释了该公司的 MC33794 电场传感器，它有多达九个检测电极和两个基准电极，适用于挑战性的汽车应用，如需要大面积 3D 成像的座椅传感器，以优化针对不同乘员和座椅位置的气囊部署。MC33794 的基价为 2.22 美元（批量1000片），这种 54 脚 SOIC 封装的器件在采用同轴电缆连接到远程的检测板时，它带有一种有源屏蔽驱动器，对电容效应作补偿。重要的内部节点（如检测信号电平）可以从器件管脚连接到微控制器的模拟输入端获得，以供测量和作校正。一个 ISO-9141 物理层接口简化了与这个 10.4 kbps、UART 总线的连接，后者是法律规定北美车辆必须支持的三种车载诊断通信结构之一。 MC33794通过一个22kΩ电阻，在传感器电极上施加一个5Vp-p、120 kHz 的正弦波，构成分压器的一半；传感器电极和地构成另一半。选择相对较低频率的正弦波可以尽量减小 EMC 问题，避免与多数美国汽车上配备的 AM 收音机相干扰。同步解调器、整流器和低通滤波器对由目标因并联大部分驱动信号接地而产生的信号电平作平滑处理。 电极之间的电容值与电极的面积和隔离材料的介电常数成正比，而与相互间的距离成反比：C=(keOA)/d，其中 k 是材料的介电常数，eO 是自由空间的介电常数，A 是平方米为单位的极面积，而 d 是以米为单位的两者间距离。Stewart 指出这个关系式适合于各种检测应用，如门的开/关检测，以及旋转滚桶中的不平衡补偿。他说：“由于电极间的电容与距离成反比，我们的传感器找到了一个修正衣服干洗机和其它家电摇摆的新市场。”他称设计者会把电极设计看作某种魔术，而现实并非这么简单：“我们建议在标准FR4板上每个键占10mm×10mm 面积”（参考文献2）。自动制冰机和冰箱化冻系统也是潜在的应用，此外还有检测液位，甚至检测电热炉飞溅出的内容（图2）。  新型 MC34940 面向消费和一般工业应用，它去掉了那些汽车专用的特性，在 24 脚的宽体 SOIC 封装中包含 7 个电极和一个屏蔽。这种结构可以用到多达 28 个传感器。Freescale 提供 C 代码的驱动程序，可实现滑动条、邻键抑制以及定期重新校准等功能，并有一个运行在 CodeWarrior IDE（集成开发环境）下的项目环境，以配合各种微控制器，包括该公司新推出的基于 S08内核的组合产品。DEMO1985MC34940E 开发工具采用 68HC908QY4 微控制器提供智能，包括嵌入式代码采样以及在 PC 上运行VisualBasic的预Net版编写的一个应用程序，使程序员能够根据要求修改代码。该工具包现可提供，价格为 57.65 美元，MC34940 的价格为 2.12 美元（批量1000片）。 扫描板 Cypress 的 CapSense 产品采用了不同的检测技术。它的 CY8C21x34 和 CY8C24x94 建立在该公司 PSoC（可编程单片系统）混合信号微控制器上，可实现张弛振荡器。在这种结构中，传感器与地之间的电容构成一个锯齿波发生器。一个恒流源为电容器充电，直到其电压上升到一个阈值，于是一个开关使电容器放电，重复循环（图 3）。由于电容及其充电电流决定了振荡器的频率，电路通过测量伴随电容增加而引起的频率差来检测是否存在用户的手指。Cypress 公布了一系列应用的说明，涵盖了这种类型传感器的工作原理以及最适合的面板布局。  CY8C21x34有四种封装选项，从16脚的SOIC到5mm×5mm MLF，它有 8 kB闪存、512B RAM 以及I2C和SPI端口。CY8C24x94使用56脚8mm×8mm MLF 封装，具有16kB闪存、1kB RAM、一个SPI、一个全速 USB 端口。这些器件的基本价格从 1.90 美元至 2.85 美元不等（批量1000片）。Cypress的 CapSense 产品营销经理 Steven Berry 注意到，该公司的 PSoC 器件与普通的微控制器有所不同，它组合了多种模拟块，用于补充一个可配置的数字内核。他说：“核心是一个状态机，用户可以简单地设置寄存器就能增加功能块，如 UART 和定时器”。同样，该技术支持包含连续定时器件的模拟功能块，如运放、比较器和寄存器阵列，以及建立滤波器、ADC 和 DAC 的开关电容电路。PSoC Designer 套件中有一个平面规划工具，提供一种连接可视化的方法。Berry 称：“PSoC Designer 是抽象的一个进步，使用户能考虑到印制电路板上各模块间的连接问题。”每个模块都有一个描述电气规格与建议设计策略的数据表。开发环境提供驱动程序和 API（应用编程接口），包括寄存器设置和使用 C 语言或汇编语言的功能调用。对很多小系统尤其重要的是，嵌入式微控制器可以实现单片系统。 在应用层面上，Berry 同意手持设备是最大的挑战，因为它们有不可预测的环境。作为补偿，设计者可以用一个 API 定期运行一个校正算法，更新每个电极的基础电平寄存器。你可以同时设定噪声阈值和阈值，对经历频率环境变化的系统作连续的软件校正。你还可以通过调整检测算法以适应类型和材料重叠，对器件的功耗和检测灵敏度作出平衡。Berry 指出，虽然恒流源方案拒绝电压的变化，但该公司正致力于一种温度补偿的专利方法，用于保持电流源的精度。未来部件将提供板载的线性稳压器和实现更低的功耗。Cypress 还在研究硅片的新技术，以降低对噪声和其它干扰（如 ESD事件）的敏感性。 解决水的问题 英国无晶圆芯片设计企业Quantum研究集团公司以传感器为其专业市场，提供各种采用电荷传送技术的IC，使自己区别于其它通用器件厂商。该公司的创始人和管理总监Hal Philipp解释说，在自由空间中，人体对地有大约100pF ~ 300pF的，一只手指只有数pF。为满足家用电器这类设备的需求（家用电器是该公司最大的市场之一），任何电检测技术都必须能在有水和其它污物的情况下解析到这种水平，例如在电热炉或其它应用表面附着的脏物和油污等。 Philipp 将 Larry Baxter 的经典文章作为电容性检测机制的最佳说明（参考文献 3），他解释了 Quantum 根据电荷守恒原理的 QT（电荷传送）机制：“我们的 QT 传感器基本上是一只微控制器，它编程为一个未知电容的检测板充电到某个确定的电势。检测板可以是任何导体，包括印制电路板焊盘到一个显示屏表面覆盖的光学透明铟锡氧化层区。”经过一个或多个充电/传送周期后，测量板上的电荷，芯片就可以确定检测板的电容，当一只手指这样的物体打乱了检测板上的电荷时，就可以作检测了。Philipp 强调要用一个低阻源来检测电极，然后对窄带脉冲采样，以保证即使有大量湿气情况下也能可靠的进行手指检测。他评论说：“从电气导纳的角度看，水膜在低频下有更强的干扰效应，因为薄膜自身及其周围环境承载的电容形成了 2D RC 网络。” Quantium 用一个扩频、脉冲串模式技术通过切换 VCC 到检测电极精制了这个模型。在脉冲串之间随机的电荷脉冲以及插入长延时可减少 EMC 问题，进一步提升牢靠性。单个脉冲可以短至脉冲串内部脉冲间隔的 5% 以下，从而也降低了功耗和传感器间的干扰。Philipp 说：“大多数噪声源影响电容性传感器要么是单调的，要么带宽很窄。”该公司的传感器通常使用约 100 kHz 的采样频率，但有些器件的有效频率为 10 MHz 以上，采样时间在 100 ns 量级。结果，成为可以通过 50 mm 厚玻璃或较低电介常数材料解析目标的一种传感器。例如，普通玻璃的值约为 7.8，FR4 玻璃纤维约为5.2，多数塑料大约是 2.7（参考文献 4）。尤其是，该技术的灵敏度适合于替代电阻性触摸屏，传统的电阻性触摸屏需要两层电阻性材料，会影响光的透射。 为防止短暂的无意触摸、物体接近或出现ESD事件造成的假触发，要求系统检测一系列成功的采样，然后才记录一次触摸。信号处理逻辑亦可实现邻键抑制，即采用反复测量每个键信号强度的迭代技术。它通过判断最大信 |
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| 作者： iQanalog 于 2006/10/8 11:11:00 发布：
4 Quantum 的多键传感器可为每个键单独设定灵敏度，因而使产品设计者在使用不同尺寸和形状键时拥有了最大的灵活性。它还能用定制的微控制器内核，提供进一步的灵活性，公司可以对其作修改，满足单片小系统应用的要求，例如食品搅拌机。Philipp 总结说：“QT 技术有数十个动态范围，与传统的电容性传感器不同的是，QT 传感器无需线圈、振荡器、射频元件、特殊电缆、RC 网络以及大量分立元器件。” 参考文献 1.www.hinton-instruments.co.uk/ems/ks.gif. 2."Touch Panel Applications Using MC34940/MC33794 E-Field ICs," FREESCALE SEMICONDUCTOR ApplicationNote,AN1985,April 2006, /数字转换器的输出值。Scrollwheel 演示会表示出用户手指在八个检测区中的位置，以及 128 个可能的输出码。该应用程序会区分出手指的位置，以及在目标应用中可以是提示模式变化的手指轻敲。此演示还会以直方图形式显示传感器区的相对输出，画出总输出与时间线的关系图（图 A）。这些功能提供了一种评估改变芯片寄存器设置效果的方法。默认值表明有平滑和连续的响应，在邻近代码值之间有最小的抖动。  CYPRESS公司的CY3212 CapSense培训工具包价格为89美元，它包括一块127mm×77mm的底板，板载一片 CY8C21001芯片，还有一个5V线性电源，一个蜂鸣器，以及7按键和一个线性滑动条的检测区。专用的 CY8C21001 可仿真所有的 CapSense PSoC（可编程单片系统），成为一个仿真端口。一对插头接至芯片的I2C端口，以及用于PSoC MiniProg编程器的编程线，另外还有一个连接至主PC的mini-USB电缆。RJ45 插座连接可选的ICE-Cube 在线仿真器，它是价格为599美元的 CY3215DK PSoC 开发工具包的关键部件。底板上可插入一个双行、16字符的LCD板，用于显示系统状态。 该工具包带有一张光盘，内含PSoC Designer和PSoC Programmer的安装文件，以及支持文件和文档。与往常相同，最好先到网站上检查有没有更新与增加资料，网站上发布了一组八个新 CapSense 项目，以及由SP3更新到PSoC Designer4.2。在下载77MB压缩的更新文件以前，首先必须安装基础应用程序，更新文件会增加一个重要的 CapSense User MODULE。由于首次发布的工具包不包括第二张有培训资料的光盘，本测试使用了出现在网站上的 CapSense 项目。接下来需要做的是解压缩文件包，在 PSoC Designer 中运行感兴趣的 .SoC项目文件，并用 MiniProg 编程器下载到电路板上，它从主机的 USB 端口为 CY3212 板供电。 或者，理论上说，当插入编程器时，Xp Pro会显示熟悉的“插入新硬件”消息，提示需要配置文件，安装程序存放在应用驱动程序子目录中。从PSoC Designer中运行任何例子都会无法编译，返回的消息是“Operation terminated. Compiler license invalid.”（运行终止。编译器许可无效。）此时，你会明白这些按键和滑动条的实例需要145美元的C编译器，根据联机商店的信息，它现在缺货，要四至六周才能交付。还好，下载的Zip文件中各自输出的子目录中有预编译好的十六进制文件，可以尝试用“rebuild-all”命令编译C源码。有趣的是，PSoC Designer 承诺提供一个让程序员感到高兴的大型配套 IDE（集成开发环境）的全部功能，还有拖拽式块配置控制（图B）。 < |
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| 作者： iQanalog 于 2006/10/8 11:12:00 发布：
5
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| 作者： iQanalog 于 2006/10/8 11:21:00 发布：
产品介绍
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| 作者： shyygy 于 2006/10/9 17:36:00 发布：
~~~~~~~~~~~~~~ 我才看了一点点就头晕了. |
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| 作者： lhkjg 于 2006/10/10 9:07:00 发布：
我感觉上海最近一家公司发明的超声波+红外线的手写输入设备不错 我感觉上海最近一家公司发明的超声波+红外线的手写输入设备不错， 他完全可以替代目前的电阻电容方式的手写板，跟重要的一点是他可以把普通的显示器当触摸屏一样来使用，我已经看到了样品，很NB啊！他们采样超声波定位方式和红外检测原理，在潦草的字都可以书写，可能在今明两年内会大量上市。 |
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| 作者： stycx 于 2006/10/10 9:12:00 发布：
上海最近一家公司发明的？已经用了n年了 |
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| 9楼： | >>参与讨论 |
| 作者： yuzq2001 于 2006/10/10 11:07:00 发布：
牛比技术 我还那么落后 |
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| 10楼： | >>参与讨论 |
| 作者： alan__lgh 于 2006/10/11 19:17:00 发布：
牛 留个脚印 |
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| 11楼： | >>参与讨论 |
| 作者： hsw_21 于 2006/10/14 13:37:00 发布：
高科技 |
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| 12楼： | >>参与讨论 |
| 作者： 小白senia 于 2006/10/14 14:46:00 发布：
晕 看了就晕 |
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| 13楼： | >>参与讨论 |
| 作者： iC921 于 2006/10/14 20:09:00 发布：
估计，这是未来电子操作方面不可或缺的技术 不会到时候可得饿晕了，哪有钱来数呢…… |
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| 14楼： | >>参与讨论 | ||||
| 作者： iC921 于 2006/10/14 20:25:00 发布：
应用笔记
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都很有特色，但AN－854似乎比较详尽。
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