當使用基于諧振器的電容感應來實現(xiàn)接近檢測時，有許多關(guān)于靈敏度、響應能力和功率的系統(tǒng)要求。而測量的結(jié)果常常會產(chǎn)生波動，造成不準確的測量結(jié)果。這種情況的發(fā)生通常都是由于寄生電容的干擾導致的。寄生電容的產(chǎn)生也可能有多種來源。在汽車碰撞檢測、白色家電和個人電子產(chǎn)品等終端設(shè)備中，靠近設(shè)備的接地物體會影響電容測量。在這篇文章中，我將說明這種現(xiàn)象，稱為接地偏移，在各種接地配置下。這種寄生電容的存在無疑會使系統(tǒng)的測量準確度下降。因此，必須消除寄生電容，或者說緩解寄生電容，使它的影響降低到最小。

分析模型

圖 1 通過基于諧振器的電容式傳感解決方案 及其寄生電容的簡單電路圖對接地偏移現(xiàn)象進行建模， 其中 C s 是電路板寄生電容和傳感器電容的組合，C g 是本地和大地之間的寄生電容地，C P0 和 C Pg 是大型局部接地層（如果在附近）的寄生電容。

圖 1：基于諧振器的電容式感應器件浮動且附近有大型局部接地層的簡化電路模型

振蕩器信號在 INA 和 INB 之間交替，因此每半個振蕩周期的電路配置都不同。由于在半正弦波激勵的任一相中沒有其他支路將電路與大地接地，因此C s 和(C g  + C Pg )實際上是串聯(lián)的。該級數(shù)關(guān)系由 C x給出，由公式 1 表征：

因此，有效振蕩頻率是兩個相位的平均值，由公式 2 給出：

每當 (C g  + C Pg ) 變化時，β 和 C x 也會發(fā)生變化，從而導致頻率偏移并產(chǎn)生接地偏移現(xiàn)象。

系統(tǒng)接地配置使用大地或本地接地。例如，如果電容感應設(shè)備連接到由電池供電的筆記本電腦，并且與外部世界沒有其他連接，您可能會注意到性能差異，而不是筆記本電腦 和 電容感應設(shè)備都以接地為參考。在數(shù)學模型方面，如果筆記本電腦處于浮動狀態(tài)，C g 可以忽略不計，如果附近沒有大的局部接地層，則 C P0 和 C Pg 可以忽略不計。

定性評估

為了更好地理解這一點，我使用筆記本電腦和 TI 的 FDC2214 評估模塊 (EVM ) 進行了一項實驗，其中標準傳感器被定制的邊框形傳感器取代。傳感器面積為 55.8cm 2  ，我用一只手靠近傳感器 10cm 范圍內(nèi)測量了接近檢測。圖 2 中的白色 USB 電纜將 FDC2214 EVM 直接連接到筆記本電腦。

圖 2 顯示了長黑色電纜如何也可以連接到大地或斷開連接，從而使系統(tǒng)處于浮動狀態(tài)。一根短黑線焊接到接地層的銅側(cè)，使其可以與 FDC2214 EVM 接地連接或斷開（圖 3）。

圖 2：該設(shè)置包括筆記本電腦、USB 電纜、定制邊框傳感器、FDC2214 EVM 和大型接地層

圖 3：接地層背面有銅（見此處），頂部有 FR-4（見圖 2）

結(jié)果

當 EVM 連接到電池供電的筆記本電腦時，系統(tǒng)接地以相對于接地的未知值浮動。當人手接觸筆記本電腦時，交流接地的值可能會發(fā)生變化，從而導致傳感器電容發(fā)生明顯變化；見圖 4。

圖 4：系統(tǒng)的電容測量，筆記本電腦懸空且沒有大的局部接地

連接到附近大型局部接地層的 EVM 顯著減少了接地偏移現(xiàn)象，因為接地層增加了 (C g  + C Pg ) 的值，允許 β 接近 1 并有效地屏蔽傳感器免受任何外部接地耦合.

正如圖 1 所示的電路模型所預期的那樣，圖 5 顯示觸摸筆記本電腦時沒有明顯的響應。但是，需要注意的一點是，接近檢測的動態(tài)范圍已從 0.15pF 降低到 0.04pF。由于引入了較大的接地寄生電容 C P0  （等式 2），因此附近較大的接地會稀釋信號并降低靈敏度。即使靈敏度降低，信號質(zhì)量仍然不錯——大約 11dB。

圖 5：系統(tǒng)的電容測量，筆記本電腦懸空，但也有一個大的本地接地連接到 EVM

概括

接地偏移問題在于傳感器電容與本地和大地之間的寄生電容串聯(lián)。緩解此問題的方法之一是將電容感應設(shè)備連接到大型本地接地層。這有效地允許屏蔽外部接地耦合噪聲。