logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.

ghost666 08 Mar 2015 01:13 2661 0
  • Czy w projektowanych przez siebie systemach miałeś może do czynienia z fluktuacjami wyników pomiarów przeprowadzanych z wykorzystaniem czujników pojemnościowych? Istnieje szereg wytłumaczeń tych fluktuacji, jednakże najczęstszym wyjaśnieniem takiej sytuacji są interferencje, wynikające z pojemności pasożytniczych w układzie. Interferencjami tego rodzaju mogą być, na przykład bliskość dłoni, zakłócenia elektromagnetyczne w otoczeniu itp., wymagają szczególnej uwagi podczas projektowania systemu pomiarowego. Interferencje tego rodzaju mogą w istotny sposób obniżyć niezawodność i efektywną czułość systemu. Na szczęście istnieje szereg sposobów pozwalających na złagodzenie wpływu pojemności pasożytniczych na działanie sensora pojemnościowego. Jednym ze sposobów jest aktywne ekranowanie sensorów. Układ FDC1004 firmy Texas Instruments zawiera sprzętowe wsparcie tego rodzaju ekranowania, w postaci aktywnego wyjścia sterującego ekranem. Zastosowanie tej funkcji opisywanego układu pozwala w istotny sposób zmniejszyć poziom interferencji w systemie oraz skupić lepiej ostrość sensora, zawężając pole jego pomiaru.

    Wyobraźmy sobie przewodnik podłączony z jednej strony do jednego z kanałów pomiarowych układu FDC1004. Wraz ze zbliżaniem do niego ręki i dotykaniem, formuje się zamknięta pętla sygnału, gdyż z punktu widzenia systemu, ludzkie ciało zachowuje się jak masa. Jeśli ręka nie jest celem pomiaru zaplanowanego w systemie, uznać można jej pojawienie się za pojemność pasożytniczą. Rozwiązaniem tej kwestii jest aktywny ekran owinięty wokół opisywanego przewodnika.

    Driver ekranu aktywnego podaje nań taki sam potencjał (ten sam przebieg), jaki podawany jest na sensor poprzez opisywany przewodnik. Dzięki temu zabiegowi pomiędzy ekranem a przewodnikiem w środku nie ma pojemności. Dodatkowo, wszystkie zewnętrzne źródła pojemności pasożytniczych oddziaływać będą z ekranem, a nie z sygnałem pomiarowym z sensora. Rysunek pierwszy, poniżej, pokazuje w uproszczeniu, w jaki sposób zrealizować można tego rodzaju system ekranowania.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 1. Ekran vs. brak ekranu.


    Używanie ekranowania pociąga za sobą szereg zalet, w przypadku systemów opartych o sensory pojemnościowe. Są to:

    * Pozwala na skupienie i zogniskowanie strefy pomiaru do zawężonego obszaru zainteresowania.
    * Pozwala na redukcję lub eliminację interferencji i wpływu pojemności pasożytniczych na pomiar.
    * Eliminuje efekty wynikające z zmian temperatury wylewki masy na płytce drukowanej układu.

    Kierunkowość pomiaru

    Bez ekranu sensor (CH) wykrywa obiekty znajdujące się poniżej i powyżej. Zależnie od konkretnej aplikacji, wykrywanie obiektów w jednej z tych lokalizacji może nie być akceptowalne i może skutkować błędnymi pomiarami pojemności pomiędzy elementem. Dzięki wykorzystaniu ekranu w tej aplikacji, umieszczonego poniżej elektrod CH i GND, linie pola znajdujące się poniżej są zablokowane. Jedynie górne linie pola mają określone ścieżki. Przykład tego rodzaju aplikacji pokazany jest poniżej, na rysunku drugim. Nie uwzględnia on wszystkich efektów, jednakże daje pojęcie, jaki wpływ ma stosowanie ekranu na kierunkowość pomiaru.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 2. Linie pola pomiędzy elektrodami CH i GDN z i bez ekranu.


    Pojemności pasożytnicze i interferencje

    Dobre, całościowe projektowanie systemów elektronicznych, wymaga wykorzystania płaszczyzny masy w postaci wylewki na płytce drukowanej, co pozwala na zredukowanie szumu i zwiększenie integralności sygnałów. W systemach z sensorami pojemnościowymi wylewka tego rodzaju zaczyna być problemem, ponieważ powoduje zniekształcenie linii pola elektrycznego, mimo iż wylewka masy nie jest docelowym miejscem pomiaru. Jeśli przekrój płytki podobny jest do tego, jaki pokazany jest na rysunku trzecim (poniżej), to efekty brzegowe spowodują, że wynik pomiaru będzie zawierał w sobie także składową zależną od pojemności pomiędzy sensorem a płaszczyzną masy. Ta ogromna pojemność masy może być istotnie zredukowana, jeśli w płytkę drukowaną wbuduje się ekran, pomiędzy płaszczyzną masy a sensorem, tak jak pokazano poniżej.

    W idealnym przypadku zastosowanie ekranu pozwoli na eliminację wpływu płaszczyzny masy na pomiar, jednakże z uwagi na efekty brzegowe nadal istnieć będzie pewna niezerowa wartość pojemności pomiędzy sensorem a wylewką. Wielkość ekranu musiałaby być znacznie większa niż sensora i wylewki tak, aby linie pola, nawet na skraju obszaru, trafiały na ekran.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 3. Wpływ wylewki masy na działanie sensora pojemnościowego.


    Efekty termiczne i wylewki masy

    Temperatura jest czynnikiem, który powoduje zmiany pojemności pasożytniczej, niezależnie od tego, że jej zmiana powoduje także zmianę offsetu pojemności, jaki wprowadzany jest do pomiaru. W pomiarze dostrzegalne jest to jako zmieniający się w funkcji czasu offset. Efekt ten spowodowany jest rozciąganiem i kurczeniem się wylewki masy. Podobnie jak powyżej, i tutaj dodanie ekranu pozwala na złagodzenie wpływu tego zjawiska na pomiar pojemności z wykorzystaniem omawianego sensora.

    Typowa implementacja układu FDC1004

    Układ scalony FDC1004 wyposażony jest w funkcję sterowania do 400 pF obciążenia pojemnościowego w postaci ekranu aktywnego. Większe obciążenie niż opisane spowoduje, że ekranowanie aktywnie nie będzie funkcjonowało w sposób poprawny i efektywnie. Parowanie kanałów wejściowych z ekranem zależne jest od trybu działania układu. W trybie sygnałów asymetrycznych, CIN1 do CIN4 sparowane mogą być z wyjściem SHLD1 lub SHLD2, ponieważ oba piny ekranu są ze sobą wewnętrznie połączone. W trybie pracy różnicowym kwestia jest bardziej skomplikowana. Zależności fazowe opisane są w poniższej tabeli.

    Tabela 1. Łączenie ekranów w przypadku korzystania z różnych kanałów w trybie różnicowym.
    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.


    Na przykład, jeśli układ FDC1004 skonfigurowany jest do pracy z wejściem różnicowym złożonym z kanałów CH1 i CH4, to wejście CH1 w fazie jest z driverem ekranu SHLD1, a CH4 jest w fazie z SHLD2.

    Wpływ kształtu i wielkości ekranu

    Kształt i położenie ekranu, względem sensora jest jednym z ważniejszych czynników, które trzeba uwzględnić, projektując system oparty o sensory pojemnościowe. Kąt pomiaru bez ekranu jak pokazano na rysunku 4, jest duży i może 'zbierać' sygnały spoza interesującego nas obszaru oraz rozmaite interferencje. Kąt pomiaru ekranowanego sensora zależny jest od wielkości ekranu (w porównaniu do wielkości sensora) i tego, jak blisko ekran jest umieszczony. Jakkolwiek tego rodzaju ekran pozwala na złagodzenie wpływu pasożytniczych pojemności oraz interferencji, to także redukuje czułość układu i dynamikę pomiaru.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 4. Wpływ ekranu na przestrzenny rozkład obszaru pomiarowego.


    Przeprowadzony został eksperyment z czterema różnymi konfiguracjami ekranowania, mający na celu odpowiedź na pytani,e jaki wpływ ekran ma na kierunkowość, czułość pomiaru i łagodzenie wpływu interferencji z pojemnościami pasożytniczymi. Tego rodzaju architektura pomiaru z izolowanym sensorem wykorzystywana jest zazwyczaj do detekcji zbliżania lub do rozpoznawania gestów użytkownika. Zazwyczaj celem pomiaru jest ludzka ręka. Czterema konfiguracjami wykorzystanymi w pomiarach były:

    1. Jedynie elektroda CIN1.
    2. Ekran (Shield1) tej samej wielkości co CIN1, umieszczony bezpośrednio pod spodem.
    3. Ekran (Shield1) o 200% większy od elektrody CIN1, umieszczony bezpośrednio pod spodem.
    4. Ekran (Shield1) w formie pierścienia w tej samej płaszczyźnie co elektroda CIN1 z ekranem pod elektrodą (jak w konfiguracji 3).

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 5. Konfiguracja sensorów i ekranu.


    Rysunek piąty pokazuje widok danej konfiguracji z boku i od góry. Ekranowanie sensora pozwala na blokowanie zewnętrznych interferencji i szumu. Wyniki doświadczalne pokazują, że pomimo braku pełnej ochrony przed pojemnościami pasożytniczymi, ich wpływ jest znacznie ograniczony. Górna strona sensora jest przeznaczona do wykrywania ludzkiej dłoni, natomiast tylna i boczne już nie, co oznacza, że wszystko, co tam się znajduje, wprowadza pasożytnicze pojemności i niepożądane interferencje. Odpowiednie ekranowanie ma za zadanie zmniejszyć ich wpływ.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 6. Porównanie wpływu interferencji od boku dla różnych układów ekranowania.


    Rysunek 6 pokazuje jakie są zmiany pojemności pasożytniczej wraz ze zbliżaniem ręki do sensora od boku. Wraz ze zwiększaniem się powierzchni ekranu, wpływ interferencji maleje.

    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.
    Rysunek 7. Czułość sensora.


    Rysunek 7 prezentuje dane dotyczące czułości sensora na dłoń umieszczoną nad sensorem. Warto zwrócić uwagę, iż zwiększanie powierzchni ekranu zmniejsza czułość i zakres dynamiki sensora. Jest to wynikiem zmniejszenia ilości linii pola, które będą oddziaływały z celem. W zależności od aplikacji, koniecznie trzeba dobrać wielkość ekranu, gdyż różne są wymagania co do czułości i odporności na interferencje w różnych systemach. Wielkość ekranu najlepiej dobrać doświadczalnie, gdyż nie wpływa ona liniowo na zakres pomiaru i tłumienie interferencji. Tabela druga pokazuje, że użycie ekranu o wielkości 100% i 200% elektrody sensora ma podobny wpływ na czułość, jednakże wykorzystanie większego ekranu ma znaczny wpływ na poziom odbieranych interferencji.

    Dalsze zwiększanie ekranu nie poprawia znacznie efektów. Dopiero ekran o około rząd wielkości większy, pozwala na zredukowanie prawie do zera wpływu interferencji. Interferencje od strony tylnej sensora bardzo dobrze redukuje już niewielki ekran (o wielkości sensora).

    Tabela 2. Porównanie wpływu ekranu na błędy pomiarowe.
    Co tak na prawdę czujesz? O aktywnym ekranowaniu sensorów pojemnościowych.


    Podsumowując, stwierdzić trzeba, że ekranowanie jest niezwykle efektywną metodą na ochronę integralności sygnału pomiarowego. Odpowiednie ułożenie ekranu, zależne jest od konkretnej aplikacji i jej wymagań. Możliwa jest redukcja interferencji od pasożytniczych pojemności aż o 77%, przy zmniejszeniu czułości o 74%. Dobranie konkretnej architektury zależne jest od danej aplikacji, której projekt i tak trzeba charakteryzować na etapie prototypowania w celu optymalizacji ekranowania sensora pojemnościowego.

    Źródła:

    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...shielding-for-capacitive-sensing_2c00_-part-1
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...g-the-ins-and-outs-of-active-shielding-part-2

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA