通过制作泰勒明电子琴学习电容接近感应

贾延安

电容接近感应是探测两个物体接近程度的一种方法，常用来在用户界面中测量手指和感应器之间的距离。由于电容感应提供了一种没有运动部件参与的输入方法，因而其在很多应用中都非常实用。

通常在学习一种新技术时，如果头脑中的项目足够简单且主要的设计和故障排除与技术的实施直接相关，我们会发现这会起到事半功倍的作用。此外，如果这个项目很有趣而又令人兴奋，则还有助于工程师保持兴趣与动力。为此，本文以描述如何制作简单的泰勒明电子琴 —— 一种用音调（频率）和音量（振幅）控制的乐器 —— 的方式来阐释应用电容感应的基础知识。

泰勒明电子琴基础知识

泰勒明电子琴的基本原理是产生一个周期性波形来驱动放大器，并继而驱动扬声器。控制方式有两种：音调和音量。音调输入控制波形频率，而音量输入则控制振幅。传统上，每个输入都是一个连接到射频谐振电路的天线。当手接近天线时，电容就添加到电路中并改变其频率。如欲了解有关如何使用频率的详细信息，请参见以下链接
http://mrr3000gt.mystarband.net/MRT/index.htm http://www.Thereminvox.com/article/articleview/15/2/2/

电容感应基础知识

在本文中我使用的是一种有时需要微控制器一起协同工作的电容测量方法，而非拍频方法。电容感应张弛振荡器 (CSR) 由一个电流可编程张弛振荡器（固定电流源，参考电压与比较器），一个多路器和一个数字计数器组成（参见图 1）


图 1：张弛振荡器

以下是测量自电容的方法：

1. 将一个小容值电容 (Cp) 连接于比较器的一端。
2. 用恒定电流给 Cp 充电，直到比较器的正极高于负极参考电压。
3. 一旦比较器达到额定电压，将 Cp 接地以释放所有电荷。
4. 测量将 Cp 充电到额定电压所用的时间。
5. 将充电时间转换成电容。

可通过电容器两端电压和电流之间的关系将充电时间转换成电容：



为 Cp 求解：



i 为恒定电流源。V 为恒定比较器参考电压，因此：




使用小容值电容有时更易于测量相对电容。而这种情况下需要使用多路器。多路器的一个输入端连接已知容值的参考电容 (Cr) ，另一端连接感应节点 (Cs) 。先后测量 Cr 和 Cs 端电容充电到参考电压所需的时间。如果 Cs 恰巧是 Cr 值的一半，那么 Cs 所需的充电时间就是 Cr 的一半。

最后是如何把充电时间转换成固件可用的数值。微处理器上的计数器可用来记录充电到阈值电压需要的时钟周期数。电容越大，时钟周期数就越多。

最终产品集成

剩下的工作就是让音调输入电容 (Cp) 控制输出频率，音量输入电容 (Cv) 控制输出振幅。为将所有电路集成在同一芯片上，可以将一个8 位数模转换器 (DAC) 和8位脉宽调制解调器 (PWM) 连接起来。将 Cp 量化为一个8位值，并用作脉宽调制解调器的比较值；将 Cv 量化为一个8位值并用于设定数模转换器。然后接上一个 32 欧姆的扬声器，便大功告成！系统原理方框图见图 2


图 2：系统原理方框图

问题解决与测试

借助一个液晶显示器 (LED) 就可轻松解决相关问题并进行相关测试，这也是最有效的方法之一。即使一个简单的 2x16 数字显示器也能提供大量的系统工作信息。我用这个显示器来定期更新计数器的值。只要改变感应器金属线的形状，显示器上的记数值立即就会发生变化。这使得测试其它的感应器的方法变得简单。

上述应用实例表明，电容接近感应是一项极其有用的通用技术，且实施简单。为了保持项目简单、集中，工程师可以快速学习电容感应的基础知识以实现更大更复杂的系统。

以下是建立这一系统的元件列表：

硬件：

带两个 CapSense 输入的 PSoC ——一个用于音调，一个用于音量输入
我选用 8C24x94 转接盒，因为其采用28 引脚 DIP 封装。 http://www.cypress.com/?rID=3472. 不过，也可采用 CY8C24794、 CY8C24894 或 CY8C24994 QFN 等更便宜的部件： http://www.cypress.com/?rID=17853.

电容感应器
我采用了 2 根 2 英寸长的电路试验板跳线，并将它们插入内置于 8C24x94 转接盒中的连接器。将跳线弯成圆圈可改变它们的灵敏度。

带 LCD 显示器的 PSoCEval1 开发板：有了 LCD ，则无需在线仿真器(ICE)。 LCD 对测试和调试都非常有用： http://www.cypress.com/?rID=2541.

用以对 PSoC 进行编程的 MiniProg：随 PSoCEval1 开发板配套提供。

软件：

包括电容感应张弛振荡器用户模块的 PSoCDesigner 4.4。也可使用PSoCDesigner 5.0版本： http://www.cypress.com/?rID=34517.

研究：

Dave Van Ess 有关用 CapSense 开始设计的视频: http://www.cypress.com/?id=1295
电容感应张弛振荡器用户模块文档（PSoCDesigner 中提供）

作者：赛普拉斯半导体公司Todd Lesher

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复制下来！！！！！！！！！！我自己好好学习！！！！！！！！！！！