通過制作泰勒明電子琴學(xué)習(xí)電容接近感應(yīng)

賈延安

電容接近感應(yīng)是探測兩個物體接近程度的一種方法，常用來在用戶界面中測量手指和感應(yīng)器之間的距離。由于電容感應(yīng)提供了一種沒有運(yùn)動部件參與的輸入方法，因而其在很多應(yīng)用中都非常實(shí)用。

通常在學(xué)習(xí)一種新技術(shù)時，如果頭腦中的項(xiàng)目足夠簡單且主要的設(shè)計和故障排除與技術(shù)的實(shí)施直接相關(guān)，我們會發(fā)現(xiàn)這會起到事半功倍的作用。此外，如果這個項(xiàng)目很有趣而又令人興奮，則還有助于工程師保持興趣與動力。為此，本文以描述如何制作簡單的泰勒明電子琴 —— 一種用音調(diào)（頻率）和音量（振幅）控制的樂器 —— 的方式來闡釋應(yīng)用電容感應(yīng)的基礎(chǔ)知識。

泰勒明電子琴基礎(chǔ)知識

泰勒明電子琴的基本原理是產(chǎn)生一個周期性波形來驅(qū)動放大器，并繼而驅(qū)動揚(yáng)聲器。控制方式有兩種：音調(diào)和音量。音調(diào)輸入控制波形頻率，而音量輸入則控制振幅。傳統(tǒng)上，每個輸入都是一個連接到射頻諧振電路的天線。當(dāng)手接近天線時，電容就添加到電路中并改變其頻率。如欲了解有關(guān)如何使用頻率的詳細(xì)信息，請參見以下鏈接
http://mrr3000gt.mystarband.net/MRT/index.htm http://www.Thereminvox.com/article/articleview/15/2/2/

電容感應(yīng)基礎(chǔ)知識

在本文中我使用的是一種有時需要微控制器一起協(xié)同工作的電容測量方法，而非拍頻方法。電容感應(yīng)張弛振蕩器 (CSR) 由一個電流可編程張弛振蕩器（固定電流源，參考電壓與比較器），一個多路器和一個數(shù)字計數(shù)器組成（參見圖 1）


圖 1：張弛振蕩器

以下是測量自電容的方法：

1. 將一個小容值電容 (Cp) 連接于比較器的一端。
2. 用恒定電流給 Cp 充電，直到比較器的正極高于負(fù)極參考電壓。
3. 一旦比較器達(dá)到額定電壓，將 Cp 接地以釋放所有電荷。
4. 測量將 Cp 充電到額定電壓所用的時間。
5. 將充電時間轉(zhuǎn)換成電容。

可通過電容器兩端電壓和電流之間的關(guān)系將充電時間轉(zhuǎn)換成電容：



為 Cp 求解：



i 為恒定電流源。V 為恒定比較器參考電壓，因此：




使用小容值電容有時更易于測量相對電容。而這種情況下需要使用多路器。多路器的一個輸入端連接已知容值的參考電容 (Cr) ，另一端連接感應(yīng)節(jié)點(diǎn) (Cs) 。先后測量 Cr 和 Cs 端電容充電到參考電壓所需的時間。如果 Cs 恰巧是 Cr 值的一半，那么 Cs 所需的充電時間就是 Cr 的一半。

最后是如何把充電時間轉(zhuǎn)換成固件可用的數(shù)值。微處理器上的計數(shù)器可用來記錄充電到閾值電壓需要的時鐘周期數(shù)。電容越大，時鐘周期數(shù)就越多。

最終產(chǎn)品集成

剩下的工作就是讓音調(diào)輸入電容 (Cp) 控制輸出頻率，音量輸入電容 (Cv) 控制輸出振幅。為將所有電路集成在同一芯片上，可以將一個8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和8位脈寬調(diào)制解調(diào)器 (PWM) 連接起來。將 Cp 量化為一個8位值，并用作脈寬調(diào)制解調(diào)器的比較值；將 Cv 量化為一個8位值并用于設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后接上一個 32 歐姆的揚(yáng)聲器，便大功告成！系統(tǒng)原理方框圖見圖 2


圖 2：系統(tǒng)原理方框圖

問題解決與測試

借助一個液晶顯示器 (LED) 就可輕松解決相關(guān)問題并進(jìn)行相關(guān)測試，這也是最有效的方法之一。即使一個簡單的 2x16 數(shù)字顯示器也能提供大量的系統(tǒng)工作信息。我用這個顯示器來定期更新計數(shù)器的值。只要改變感應(yīng)器金屬線的形狀，顯示器上的記數(shù)值立即就會發(fā)生變化。這使得測試其它的感應(yīng)器的方法變得簡單。

上述應(yīng)用實(shí)例表明，電容接近感應(yīng)是一項(xiàng)極其有用的通用技術(shù)，且實(shí)施簡單。為了保持項(xiàng)目簡單、集中，工程師可以快速學(xué)習(xí)電容感應(yīng)的基礎(chǔ)知識以實(shí)現(xiàn)更大更復(fù)雜的系統(tǒng)。

以下是建立這一系統(tǒng)的元件列表：

硬件：

帶兩個 CapSense 輸入的 PSoC ——一個用于音調(diào)，一個用于音量輸入
我選用 8C24x94 轉(zhuǎn)接盒，因?yàn)槠洳捎?8 引腳 DIP 封裝。 http://www.cypress.com/?rID=3472. 不過，也可采用 CY8C24794、 CY8C24894 或 CY8C24994 QFN 等更便宜的部件： http://www.cypress.com/?rID=17853.

電容感應(yīng)器
我采用了 2 根 2 英寸長的電路試驗(yàn)板跳線，并將它們插入內(nèi)置于 8C24x94 轉(zhuǎn)接盒中的連接器。將跳線彎成圓圈可改變它們的靈敏度。

帶 LCD 顯示器的 PSoCEval1 開發(fā)板：有了 LCD ，則無需在線仿真器(ICE)。 LCD 對測試和調(diào)試都非常有用： http://www.cypress.com/?rID=2541.

用以對 PSoC 進(jìn)行編程的 MiniProg：隨 PSoCEval1 開發(fā)板配套提供。

軟件：

包括電容感應(yīng)張弛振蕩器用戶模塊的 PSoCDesigner 4.4。也可使用PSoCDesigner 5.0版本： http://www.cypress.com/?rID=34517.

研究：

Dave Van Ess 有關(guān)用 CapSense 開始設(shè)計的視頻: http://www.cypress.com/?id=1295
電容感應(yīng)張弛振蕩器用戶模塊文檔（PSoCDesigner 中提供）

作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司Todd Lesher

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復(fù)制下來�。。。。。。。。�！我自己好好學(xué)習(xí)�。。。。。。。。。�！