基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)AD7147和AD7148的醫(yī)療保健設(shè)計(jì)方案

簡(jiǎn)介

近年來(lái)，電子技術(shù)的進(jìn)步為醫(yī)療保健行業(yè)的諸多創(chuàng)新和改進(jìn)創(chuàng)造了條件。醫(yī)療保健設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)包括提出新的診斷和治療方法，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，開(kāi)發(fā)家庭護(hù)理設(shè)備，提高質(zhì)量和可靠性，以及增強(qiáng)靈活性和易用性。

40余年以來(lái)，ADI公司豐富而全面的線(xiàn)性、混合信號(hào)、MEMS和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)給儀器儀表、成像和病人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大的變革。本文將集中探討電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)技術(shù)，該技術(shù)使得在醫(yī)療保健應(yīng)用中使用高性能電容檢測(cè)成為可能。

電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶(hù)輸入法

電容式觸摸傳感器以類(lèi)似圖1所示的按鈕、滑動(dòng)條、滾輪或其他方式提供一種用戶(hù)界面。

圖1. 觸摸傳感器布局示例

各個(gè)藍(lán)色幾何區(qū)域表示印刷電路板(PCB)上的一個(gè)傳感器電極，構(gòu)成虛擬電容器的一個(gè)極板。另一極板則由用戶(hù)的手指構(gòu)成，實(shí)際上，該極板相對(duì)于傳感器輸入是接地的。 AD7147/AD7148 CapTouch控制器系列專(zhuān)為激勵(lì)電容式觸摸傳感器和與之接口而設(shè)計(jì)，能夠測(cè)量來(lái)自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，使電容器極板充電。當(dāng)一個(gè)物體(如用戶(hù)手指)靠近傳感器時(shí)，用戶(hù)充當(dāng)電容器的令一個(gè)極板，將形成虛擬電容器(如圖2)。利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)可以測(cè)量該電容。

圖2.電容檢測(cè)示意圖和典型響應(yīng)

該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化，并借助此信息來(lái)記錄傳感器激活事件。AD7147和AD7148分別有13個(gè)和8個(gè)電容輸入，并均配有片內(nèi)校準(zhǔn)邏輯，用以對(duì)環(huán)境變化引起的測(cè)量變化進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保不會(huì)因溫度變化或濕度變化而在外部傳感器上產(chǎn)生誤觸發(fā)事件。

AD7147和AD7148提供多種工作模式、用戶(hù)可編程的轉(zhuǎn)換序列和極其靈活的控制功能。這些特性使其成為高分辨率觸摸傳感器功能的理想選擇，比如滑動(dòng)條或滾輪，而且其對(duì)軟件的要求很低。另外，無(wú)需使用任何軟件，即可用片內(nèi)數(shù)字邏輯完整實(shí)現(xiàn)按鈕傳感器應(yīng)用。

電容檢測(cè)和測(cè)量的基本原理

電容 是指電容器在電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。在其標(biāo)稱(chēng)形態(tài)中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲(chǔ)的電荷Q，計(jì)算公式為

。

對(duì)于平行板電容器，電容檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示。

圖3.測(cè)量平行板電容器的電容

平行板電容器由兩個(gè)導(dǎo)體(金屬板)構(gòu)成，其特性為

導(dǎo)體面積， a × b

兩個(gè)導(dǎo)體極板之間的 距離d

兩個(gè)導(dǎo)體之間的電介質(zhì)，用介電常數(shù)er表示r

根據(jù)這種幾何結(jié)構(gòu)，電容計(jì)算公式如下

其中，ε0為自由空間的介電常數(shù)

其中，ε0為自由空間的介電常數(shù)。

圖4.傳感器電氣配置