AN1334
实现稳健触摸传感设计的技术
½者：
Burke Davison
Microchip Technology Inc.
在图
1
中，C
BASE
是焊盘上无任½物½时的电容值。这
称为传感器的基础电容。C
F
是手指触摸所引起的电容变
化，C
T
是传感器的总电容。
简介
本应用笔记旨在介绍开发适用于噪声环境的电容式触摸
应用时的最½设计实践。本应用笔记首先定义噪声所引
发的问题，并说明噪声通常如½½响系统。然后提供硬
件准则，以帮助将应用的自然信噪比（signal-to-noise
ratio，SNR）最大化。最后会涵盖多种½件技术，以
介绍一些常用于对传感器信号进行滤波以进一步提
高
SNR
的方法，并根据电容传感器的特性来做出解码
决策。
将涵盖的硬件设计主题包括：
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
按钮和滑动条焊盘的设计与间距
覆盖层材料和厚度
粘合剂层建议
传感器走线布线和串联电阻
用于实现ESD保护的布线技术
电源接地方案
V
DD
和旁路电容的选择
图
1：
电容传感器系统
覆盖层
Overlay
C
0
Sensor
传感器
GND
Pad
焊盘
C
0
C
F
PCB
基板
Substrate
C
T
= C
0
+ C
F
mTouch™
和
RightTouch™
传感解决方案系统已通过有
关传导和辐射敏感度以及辐射发射方面的行业测试标
准。本应用笔记介绍电容式触摸设计的几个重要方面，
该设计结合良½的印刷电路板（printed
circuit board，
PCB）技术，可½系统在极端测试条件下持续运行。
有关电容式触摸传感的基础知识以及其他更高级的主题
的信息，请访问
Microchip
触摸和输入传感解决方案½
站：http://www.microchip.com/mTouch。
该系统中的电容可通过公式
1
所示的平行极板电容计算
公式来计算。在实际应用中，电容传感器系统要比公式1
复杂得多，理解这一点非常重要。一般来说，可以将系
统视为由
PCB、覆盖层、人½以及环境所½成的电容、
电阻和电感所构成的½络。因此，很难计算电容传感器
系统的准确特性。
本应用笔记中的建议基于实验室测试结果，不具有绝对
性。用户始终可根据电容计算公式以及自己的应用需求
进行适½调整。
电容式触摸基本介绍
电容传感器是PCB上由铜箔填充，然后通过一条走线连
接回PIC
®
器件的区域。PIC器件随后将测量传感器，所
采用的方法可让其检测到通常由用户手指接近传感器所
引起的细微电容变化。系统通过½件不断读取电容，并
在其发生变化时，记½传感器上有一次按压。
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公式
1：
其中：
平行极板电容
--
-
C =
ε
r
ε
0
A
d
还有一些系统可½要两方面½兼顾。例如，可通过
USB
电缆供电的移动电话。在大部分时间内，需要关注½功
耗，而在通过市电线路供电时，则需要注意传导噪声。
因此，在这些系统中只应½用基于电压的采集方法。
½管抗噪声½力与½功耗互相不排斥，½关注其中一个仍
需要对另一个进行设计权衡。例如，通过实现压摆率限
流器滤波器来降½对传导噪声的灵敏度时，需要提高系
统的采样率，这会增加总½功耗。在½功耗应用中降½
V
DD
是一个很½的想法，½这同时会降½抗噪声½力（见
电源注意事项）。本应用笔记重点讨论如½降½对噪声
的敏感度，而将½功耗视为次要目标。如果½功耗是应
用的主要目标，请访问http://www.microchip.com/XLP获取
更多技术详细信息。
ε
r
=
介质材料的相对介电常数
ε
0
=
真空介电常数（8.854
x 10
-12
F/m）
A
=
极板面积（m
2
）
d
=
两极板间距（m）
½用单片机检测电容变化有两种基本方法。第一种方法
是采用电压测量，原理为系统控制传感器的引脚根据
电容值对引脚½加电压，然后根据传感器上的电压读
数得出电容变化。这包括
Microchip
的充电时间测量单
元（Charge
Time Measurement Unit，CTMU）和电容
分压器（Capacitive
Voltage Divider，CVD）等方法。
另一种方法是通过频率测量传感器，如RightTouch扫描
方法，该方法½用伪随机频率来检测电容变化。图
2
给
出了所有这三种扫描方法的波½。
噪声对电容式触摸传感器的½响
按钮与电容传感器
考虑如½开发稳健的电容式触摸应用之前，需要了解噪
声成为问题的根本原因。½½用机械按钮时，单片机的
端口电路决定了开关引脚被拉为高电平还是½电平，并
为用户提供单½数字结果。随后对该结果进行去抖动以
调整振铃，按钮的状态基于去抖动变量的状态。
½是，电容式触摸传感器应用是模拟应用。最明显的区
别是需要手动执行读取过程。在½用机械开关时，单片
机½通过其内部硬件逻辑读取引脚。对于电容式触摸应
用，需要½用单独的硬件模块来控制传感器线。无论是
½用基于电压的测量还是基于频率的测量，模拟结果½
将以整型值½式提供。随后通常½用不同的数字信号处
理技术对该值进行滤波，以放大信号并衰减噪声。然后
通过某种½式的去抖动算法以及更复杂的解码过程发送
滤波后的值。½系统设计为以闭环½式执行时，还会额
外增加一层复杂度，即根据传感器的½前状态调整其
行为。
图2：
电容传感采集波½
充电时间测量单元
Charge Time Measurement Unit
(CTMU)
（CTMU）
电容分压器
Voltage Divider
Capacitive
(CVD)
（CVD）
RightTouch™检测
RightTouch
®
Sensing
(CAPxxxx Devices)
（CAPxxxx器件）
采集波½
本应用笔记将重点讨论系统的硬件设计以及信号采集中
未涉及的固件部分。对于实现
CVD
或
CTMU
技术的设
计，设计人员可通过Microchip应用程序库中提供的源代
码来实现。如果½用RightTouch现成产品，这些技术将
内½为解决方案的一部分。
抗噪声½力与½功耗
开发电容式触摸系统时，从产品开发一开始就应该知道
主要目标是什么，这一点很重要。对于大多数应用来
说，系统的供电方式可给出答案。对于线路供电系统，
抗传导噪声的½力是主要关注点。对于电池供电系统，
½功耗是主要关注点。
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电容式触摸½件过程可简化为以下三个不同阶段：
1.
采集
½用基于电压或基于频率的测量技术从电容式触
摸传感器获取采样。
2.
滤波
对传入的传感器采样进行处理，以通过衰减噪声
来提高系统的有效SNR。
3.
解码
根据½前的传感器采样值与传感器的前一个行为
来确定传感器处于按压状态还是释放状态。
图
3
给出了按钮与电容式触摸传感器的差别，并标记了
电容式触摸系统的三个主要½件阶段。
产生这两类噪声的主要原因有以下两个：
1.
用户按压电容式触摸传感器½自己成为系统的一
部分，因此，如果用户与系统的参考地不同，系
统会将用户解读为传感器上注入的交流信号。
外力在任一方向上对传感器的½微按压就会½模
拟读数发生变化。机械开关的数字结果为高电平
或½电平。
2.
本应用笔记将介绍不同的系统设计技术，建议½用这些
设计技术克服这两类噪声。除这些准则外，设计人员还
应该了解应用的未来工½环境，并确保附近不会存在可
½干扰系统的强噪声电子元件。
电容传感器噪声特性
电容式触摸传感器上的注入噪声会导致系统更加不稳定。
基于电压的mTouch传感解决方案读取方法（如CTMU和
CVD）与基于频率的读取方法（RightTouch
扫描方法）
所受到的½响有所不同。在基于电压的系统中，某一特
定时间点上的传感器电压确定了读数的整型值。在基于
频率的系统中，根据注入噪声频率以及传感器振荡器频
率的不同，读数受到的½响会有所不同。
图3：
按钮与电容传感器的½件过程
按钮
Push Buttons
Read Port
读取端口
（数字）
(Digital)
电容传感器
Capacitive Sensors
采集
Acquisition
（模拟）
(Analog)
滤波
Filtering
噪声特性：基于频率的采集
基于频率的采集方法必须执行跳频技术来消除谐波噪声
问题。这通过RightTouch现成产品自动处理，并且始终
处于½½状态。此外，还½用多种专有技术来检测和调
整器件中的噪声。
Decoding
解码
（数字）
(Digital)
应用
Application
传导噪声和辐射噪声
“传导”和“辐射”是可½导致电容式触摸系统不稳定
的注入噪声的两个主要类别。传导噪声在外部设备供电
的系统中产生。这包括市电线路供电的系统、桌面供电
的USB设备或者任½其他可½意味着用户与应用不共地
的情况。
辐射噪声是所有电容式触摸系统面临的共同挑战。½正
在扫描的电容式触摸传感器为高阻态输入时尤为如此，
其本质上充½了一个高频天线。因此，在电容式触摸系
统附近½辐射电磁场的电子设备将对读数造成½响。这
些设备包括移动电话、高功率通信线路以及荧光灯等。
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噪声特性：基于电压的采集
在基于电压的系统中，注入噪声可导致自然采样值发生
正偏移或负偏移。如果采样频率恰巧与输入噪声的某个
谐波频率一致，就会发生谐振。出现这种情况时，采样
将½在注入噪声的波峰或波谷。
图
4
显示了此特性的示例。½以噪声的某个谐波的频率
进行采样时，读数可½全部½在噪声的波峰或者中间某
处，具½取决于采集的起始时间。因此，同一频率下的
多个读数将呈现大量噪声。这可以从图
5
中看出，其中
一些噪声频率为采样频率的谐波，其他则不是。
图
4：
基于电压的谐波频率采集
http://www.microchip.com/mla
½站上提供的
Microchip
应用程序库实现了可从传感器的输出中消除此特性的采
集和滤波技术。
图5：
基于电压的采集噪声频率响应
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信噪比
为了解½件和硬件变化对系统的½响，需要一种½够测
量信号½前性½的方法。灵敏度或系统变化量的测量值
不足以定义系统是否稳定。例如，在平均传感器输出值
为20000且变化量达到2000的系统中，可以简单地从每
个读数中减去
18000，并声称达到了100%的2000个计
数变化。½实际上，变化量或“信号”必须与噪声量进
行比较。如果噪声导致传感器在任½时间点上均偏移
1000个计数，则系统存在问题。
要确定系统稳定性或系统受噪声½响的程度，最简单的
方法之一是查看其信噪比（SNR）。就像听起来那样，
这是通过与无用的噪声干扰进行比较来测量信号强度的
方法。
对于本应用笔记，½用公式2 中定义的SNR 公式。
下面的图6 中给出了一个SNR计算示例。
图
6：
SNR
计算
13763
St. Dev.
5.52
13661
公式
2：
其中：
信噪比
µ
U
–
µ
P
SNR = -----------------------
-
µ
U
–
µ
P
13763
–
13661
SNR = ----------------------- = -------------------------------------- = 18.5
-
σ
5.52
还有其他可计算系统SNR的公式。重要的是，所选择的
方法应该½在多次测量中提供一致的数字，以便对硬件
和½件变化的½坏做出明智的决策。
图
7
给出了½用公式
2
计算出
3.5
信噪比的示例½为参
考。请注意，由于½用的是噪声的标准偏差而不是峰-峰
值，因此
3.5
的
SNR
只有极少的空间放½阈值。要在系
统上放½固定阈值，以便按压部分加上其噪声与未按压
部分加上其噪声完全分离，至少需要SNR为7的系统。
在实际应用中，理想的系统
SNR
至少应该为
15，才½
提供更高级的可靠性。
σ
µ
U
=
未按压时的平均值
µ
P
=
按压时的平均值
σ
=
信号的标准偏差
公式的分子是系统在被按压或“发信号”时的变化量。
分母是噪声对读数的½响程度的测量值。½用这些值构
成的比值可回答以下问题，从而用单个数字来描述传感
器信号的质量：与尝试避免的噪声量相比，需要多少变
化量？
如果系统上存在传导噪声，½按压与释放传感器时，
SNR会发生变化。SNR还可½根据注入噪声的频率发生
变化。
图
7：
信噪比
= 3.5
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