如何从电容感应应用中消除接地偏移现象

当使用基于谐振器的电容感应来实现接近检测时，有许多关于灵敏度、响应能力和功率的系统要求。而测量的结果常常会产生波动，造成不准确的测量结果。这种情况的发生通常都是由于寄生电容的干扰导致的。寄生电容的产生也可能有多种来源。在汽车碰撞检测、白色家电和个人电子产品等终端设备中，靠近设备的接地物体会影响电容测量。在这篇文章中，我将说明这种现象，称为接地偏移，在各种接地配置下。这种寄生电容的存在无疑会使系统的测量准确度下降。因此，必须消除寄生电容，或者说缓解寄生电容，使它的影响降低到最小。

分析模型

图 1 通过基于谐振器的电容式传感解决方案 及其寄生电容的简单电路图对接地偏移现象进行建模， 其中 C s 是电路板寄生电容和传感器电容的组合，C g 是本地和大地之间的寄生电容地，C P0 和 C Pg 是大型局部接地层（如果在附近）的寄生电容。

图 1：基于谐振器的电容式感应器件浮动且附近有大型局部接地层的简化电路模型

振荡器信号在 INA 和 INB 之间交替，因此每半个振荡周期的电路配置都不同。由于在半正弦波激励的任一相中没有其他支路将电路与大地接地，因此C s 和(C g  + C Pg )实际上是串联的。该级数关系由 C x给出，由公式 1 表征：

因此，有效振荡频率是两个相位的平均值，由公式 2 给出：

每当 (C g  + C Pg ) 变化时，β 和 C x 也会发生变化，从而导致频率偏移并产生接地偏移现象。

系统接地配置使用大地或本地接地。例如，如果电容感应设备连接到由电池供电的笔记本电脑，并且与外部世界没有其他连接，您可能会注意到性能差异，而不是笔记本电脑 和 电容感应设备都以接地为参考。在数学模型方面，如果笔记本电脑处于浮动状态，C g 可以忽略不计，如果附近没有大的局部接地层，则 C P0 和 C Pg 可以忽略不计。

定性评估

为了更好地理解这一点，我使用笔记本电脑和 TI 的 FDC2214 评估模块 (EVM ) 进行了一项实验，其中标准传感器被定制的边框形传感器取代。传感器面积为 55.8cm 2  ，我用一只手靠近传感器 10cm 范围内测量了接近检测。图 2 中的白色 USB 电缆将 FDC2214 EVM 直接连接到笔记本电脑。

图 2 显示了长黑色电缆如何也可以连接到大地或断开连接，从而使系统处于浮动状态。一根短黑线焊接到接地层的铜侧，使其可以与 FDC2214 EVM 接地连接或断开（图 3）。

图 2：该设置包括笔记本电脑、USB 电缆、定制边框传感器、FDC2214 EVM 和大型接地层

图 3：接地层背面有铜（见此处），顶部有 FR-4（见图 2）

结果

当 EVM 连接到电池供电的笔记本电脑时，系统接地以相对于接地的未知值浮动。当人手接触笔记本电脑时，交流接地的值可能会发生变化，从而导致传感器电容发生明显变化；见图 4。

图 4：系统的电容测量，笔记本电脑悬空且没有大的局部接地

连接到附近大型局部接地层的 EVM 显着减少了接地偏移现象，因为接地层增加了 (C g  + C Pg ) 的值，允许 β 接近 1 并有效地屏蔽传感器免受任何外部接地耦合.

正如图 1 所示的电路模型所预期的那样，图 5 显示触摸笔记本电脑时没有明显的响应。但是，需要注意的一点是，接近检测的动态范围已从 0.15pF 降低到 0.04pF。由于引入了较大的接地寄生电容 C P0  （等式 2），因此附近较大的接地会稀释信号并降低灵敏度。即使灵敏度降低，信号质量仍然不错——大约 11dB。

图 5：系统的电容测量，笔记本电脑悬空，但也有一个大的本地接地连接到 EVM

概括

接地偏移问题在于传感器电容与本地和大地之间的寄生电容串联。缓解此问题的方法之一是将电容感应设备连接到大型本地接地层。这有效地允许屏蔽外部接地耦合噪声。