通過制作泰勒明電子琴學習電容接近感應

賈延安

電容接近感應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器之間的距離。由于電容感應提供了一種沒有運動部件參與的輸入方法，因而其在很多應用中都非常實用。

通常在學習一種新技術時，如果頭腦中的項目足夠簡單且主要的設計和故障排除與技術的實施直接相關，我們會發現這會起到事半功倍的作用。此外，如果這個項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（頻率）和音量（振幅）控制的樂器 —— 的方式來闡釋應用電容感應的基礎知識。

泰勒明電子琴基礎知識

泰勒明電子琴的基本原理是產生一個周期性波形來驅動放大器，并繼而驅動揚聲器�？刂品绞接袃煞N：音調和音量。音調輸入控制波形頻率，而音量輸入則控制振幅。傳統上，每個輸入都是一個連接到射頻諧振電路的天線。當手接近天線時，電容就添加到電路中并改變其頻率。如欲了解有關如何使用頻率的詳細信息，請參見以下鏈接
http://mrr3000gt.mystarband.net/MRT/index.htm http://www.Thereminvox.com/article/articleview/15/2/2/

電容感應基礎知識

在本文中我使用的是一種有時需要微控制器一起協同工作的電容測量方法，而非拍頻方法。電容感應張弛振蕩器 (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字計數器組成（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極參考電壓。
3. 一旦比較器達到額定電壓，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. 將充電時間轉換成電容。

可通過電容器兩端電壓和電流之間的關系將充電時間轉換成電容：



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) ，另一端連接感應節點 (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換成固件可用的數值。微處理器上的計數器可用來記錄充電到閾值電壓需要的時鐘周期數。電容越大，時鐘周期數就越多。

最終產品集成

剩下的工作就是讓音調輸入電容 (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 位數模轉換器 (DAC) 和8位脈寬調制解調器 (PWM) 連接起來。將 Cp 量化為一個8位值，并用作脈寬調制解調器的比較值；將 Cv 量化為一個8位值并用于設定數模轉換器。然后接上一個 32 歐姆的揚聲器，便大功告成！系統原理方框圖見圖 2


圖 2：系統原理方框圖

問題解決與測試

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

上述應用實例表明，電容接近感應是一項極其有用的通用技術，且實施簡單。為了保持項目簡單、集中，工程師可以快速學習電容感應的基礎知識以實現更大更復雜的系統。

以下是建立這一系統的元件列表：

硬件：

帶兩個 CapSense 輸入的 PSoC ——一個用于音調，一個用于音量輸入
我選用 8C24x94 轉接盒，因為其采用28 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.

電容感應器
我采用了 2 根 2 英寸長的電路試驗板跳線，并將它們插入內置于 8C24x94 轉接盒中的連接器。將跳線彎成圓圈可改變它們的靈敏度。

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

用以對 PSoC 進行編程的 MiniProg：隨 PSoCEval1 開發板配套提供。

軟件：

包括電容感應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 有關用 CapSense 開始設計的視頻: http://www.cypress.com/?id=1295
電容感應張弛振蕩器用戶模塊文檔（PSoCDesigner 中提供）

作者：賽普拉斯半導體公司Todd Lesher

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復制下來�。。。。。。。。�！我自己好好學習！！�。。。。。。。。�