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[参考译文] MSP430FR2672:自电容滑块和极长滑块的屏蔽层

Guru**** 1088540 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA354, MSP430FR2672, OPA356
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/microcontrollers/msp-low-power-microcontrollers-group/msp430/f/msp-low-power-microcontroller-forum/1214381/msp430fr2672-shield-for-self-capacitance-slider-and-very-long-slider-length

器件型号:MSP430FR2672
主题中讨论的其他器件:OPA354OPA356

您好!

我正在进行一个项目、需要一个总周长 接近1m 的圆形滑块。 最大的问题是此设计中的寄生电容。 因此、另一位工程师选择利用多个 MSP 器件将滑块拆分为5 ~250mm 长的滑块。 每个都由单个 MSP 控制。 虽然这会降低寄生电容、但会导致5个不同的 MSP 全部不同步运行。 这里有两条路:

1.同步单个外部 XTAL 的所有 MSP,并在所有 MSP 之间提供 SYNC 信号。 这将使我们能够实现 TDM、每个 MSP 在单独的时隙中对其给定的触控滑块进行采样。 这是否可行或可取? 如果所有 MSP 都是同步的、是否所有 MSP 都可以在相同的同步时隙内扫描?

2.切换到使用单个 MSP,16通道分配给4个滑块元件。 最大布线长度可达500mm。 其寄生电容很大、我们会拾取更多的 LED PWM 噪声。

我还对在每个滑块下实施一个驱动屏蔽感兴趣。 目前、我们正在使用自电容、因此、我将使用 OPA354驱动滑块元素下的剖面线平面。 在馈入 RX0的串联电阻器之前、OPA354会连接到 CAP0.0。 请您确认这是否是正确的实现?

由于 CAP2.0具有最短布线长度和最低寄生电容、而不是具有最长布线长度和最大寄生电容的 CAP0.0、分接它是否有益?

如果我们疯了,请告诉我。 。 。

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    您好、Adam、

    很有趣! 是的、您对寄生电容的看法是正确的、使用驱动屏蔽层会有所帮助、但仅通过一个 OPA354驱动 RX0并不能实现所需目的。  之所以将 OPA 用作缓冲放大器、是因为它可以再现与其输入完全相同的电压、对吧?  按照图示所示、RX0上的电压将出现在 OPA 输出上、并将屏蔽层驱动至相同的电压。

    但是、不保证每个 RX 引脚上的电压与 RX0完全相同。  假设 RX0和 RX1之间存在10mV 的差值、然后 RX1与屏蔽层之间存在10mV 的差值。  由于 Q = CV、在 RX1和屏蔽之间将产生少量电荷来降低屏蔽的有效性。 如果每个 RX 引脚上存在最小且相等的电容、则更有可能仅驱动 RX0就足以屏蔽所有其他 RX 引脚。

    但是、由于您要驱动可能非常重的容性负载、并且每个 RX 引脚上可能会有所不同、并且您有一个470欧姆的电阻器(用于 ESD 目的)与每个电极串联、因此您有一个上升时间可能较慢的良好 RC 滤波器。  这种情况的问题不是缓慢上升时间过长、而是每个 RX 电极都可能具有略微不同的 RC 时间常数、因此 RX1、RX2和 RX3上的电压可能不会随 OPA 输出一起跟踪。

    还需要考虑的一点是 OPA 驱动大型容性负载的能力。  下面是一个 RX 引脚(紫色)和 OPA 输出(黄色)的示例。  您可以看到 OPA 的输出如何无法完美地跟踪 RX 引脚。  平心而论、这张照片没有使用 OPA354、而是使用了较低带宽的 OPA 来演示该问题。

    关于使用5个 MSP430的解决方案、我倾向于同意可能是更好的方法。  但是、您无需同步时钟即可让所有 MCU 同时测量。  MSP430FR2672上有一个名为 SYNC 的引脚。  通常用于交流电路中的过零、您可以使用此引脚同时触发所有 MCU。  一种实现此操作的方法是使其中一个 MSP430成为主设备、并使用与其 SYNC 引脚以及其他4个 MSP430连接的 GPIO 引脚、并使用计时器中断来生成 SYNC 信号。

    具体细节如下。

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    您好、Dennis、

    感谢你的评分 从概念上讲、同步似乎很简单。 我们将了解实施过程。

    我还理解到、通过 XTAL 而不是内部 RC 运行时、触控性能通常会好得多。 您是否有关于时钟对 SNR 影响的任何信息?

    关于驱动屏蔽、我理解您有关驱动屏蔽的波形的评论、并使 RX 引脚不完全对齐。 但是、由于设计限制、从静态电流负载或成本的角度来看、我无法为每个 RX 焊盘配备专用的运算放大器。 一种更好的策略是每个电容 IO 块使用一个运算放大器、还是在 MSP 上使用其他引脚来驱动每个 RX 焊盘的单个屏蔽层?

    屏蔽层的容性负载将始终大于 RX 焊盘的容性负载。 因此屏蔽速度总是比 RX 焊盘慢一些。 我可以在 RX 焊盘和屏蔽层上放置一个串联电阻、然后调整屏蔽层上的串联电阻、使得屏蔽层和焊盘的 RC 时间常数~相等吗?

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    您好、Adam、

    无论您使用 XTAL 还是内部 DCO、CapTIvate 性能或 SNR 都毫无关系。  原因是 CapTIvate 外设具有其16MHz 振荡器、可以按比例缩小以满足转换频率要求、而与 MSP430上的振荡器或时钟系统无关。  CapTIvate 还具有自己的 LDO (1.5V)、因此信号链的模拟器件与 VDD 相隔离。   

    请记住、CapTIvate 使用电荷传输机制、并且时钟精度与测量的精度无关。

    关于从动屏蔽、通常只有一个 OPA、用于屏蔽单个 RX 接近电极、因此不在多个 RX 上。  您需要大量 OPA、每个 RX 通道一个。  非常昂贵。  现在、请返回此帖子中显示的每个块显示一个引脚的图示、如果您要启用同一个块上的另一个引脚以便其在连接到传感器的 RX 引脚同时驱动、则在测量期间两个通道会一起进行"或"运算、 这意味着您将驱动传感器和屏蔽的组合容性负载、因此您的测量不正确。

    尽管您可能认为使用另一个 Capt 引脚驱动每个屏蔽件是可行的、但与 OPA 的输出不同、RX 引脚是一个相对较高的阻抗输入、与应屏蔽的 RX 通道一样、对电容变化也很敏感。  另一方面、OPA 输出具有非常低的阻抗、无论屏蔽电容如何(当然会有原因)或电容如何变化(例如手或其他物体)、都将保持输出=输入电压。  还需要添加一些软件来启用 将驱动屏蔽的 RX 通道。

    我认为唯一的解决方案是您的建议。 每个块使用一个 OPA、不要浪费时间尝试"调优" 电阻器值。

    我对您尝试的尺寸很好奇、您打算如何交错单个滑块句段?  您是否愿意与我们分享您的滑块应该是什么样的?

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    您好、Dennis、

    我很高兴与您私下分享当前的布局。 我无法公开共享图像。 您的团队是否使用 Altium?

    在这里、单运算放大器方法似乎是最佳选择。 目前、我们使用 GND 进行屏蔽。 我可能会在触控元件周围创建一个隔离式屏蔽、该元件可以连接回运算放大器或直接连接到 GND。 我们将进行测试、看看是否有任何改进。

    我被另一个 E2E 帖子误导、该帖子使用 MSP 上的第二个引脚作为屏蔽层。

    e2e.ti.com/.../3862756

    有关电荷转移机制和时钟的注释。 我被另一个制造商的应用手册扔了。 。 。  

    此致!

    亚当

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    另外、驱动屏蔽的运算放大器的最低规格是什么? OPA354在其他地方参考、这就是我锁定到该 OPA354的方式。 似乎 GBW、电容驱动功能、输入偏置电流和轨到轨性能都很重要、但您对"最便宜"可行的运算放大器有何经验吗?

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    您好、Adam、

    是的、您可以私下分享。  我相信、如果您将鼠标悬停在我的姓名上、将会有一个下拉列表、您可以在其中向我发送朋友请求。  一旦我接受、您就能够共享您的设计。  是的、我们使用 Altium。

    关于 OPA354、与您一样、我与几个客户合作、他们希望获得与 OPA354相同的性能、但具有更低的偏置电流(适用于电池供电型应用)。  在当时(5年前)、我们正在测试可以正常工作的 OPA、而 OPA354正是符合 BW 和驱动能力的 OPA354。  据我所知、基于上述原因、我接触的所有客户最终都没有使用 OPA356。  他们要么重新设计他们的产品,要么选择一个不太合适的 OPA ,但我从来没有听说过,如果他们是成功的。  

    尽管如此、自从针对此类应用推荐 OPA354以来、TI 推出了品类齐全的 OPA 和新产品系列、因此目前可能存在这样的器件。  您可以尝试在放大器组中发布一个 E2E 问题。

    我忘了问、这是一次性项目、如实验、还是正在研发产品?  您不必在此处回答。  您可以私下回答。

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    您好、Adam、

    我没有看到"朋友请求"。  您是否仍希望私下共享您的文件?

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    您好、Dennis、

    我已经结好了、并将文件发送了过来。 您已确认收到。 请仔细检查您的消息。

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    是的、抱歉。  我星期一刚迁移到一台新的笔记本电脑、并解决了一些问题。  我需要重新安装 Altium、那给我一天时间吧。

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    您好、Adam、

    必须承认、这是我所见过的使用多个 MSP430 CapTIvate MCU 的最雄心勃勃的项目之一。 我真的很好奇它的效果如何。 是的、我现在可以明白为什么需要驱动屏蔽。

    在布局方面做得很好、BTW。 我喜欢将 CAPx.x 引脚布置在顶层下方的一层上、而不是进一步向下布置在任何较低层上。  铺设在较低接地平面和电源平面之间的迹线一定会增加这些迹线上的寄生电容。  

    也就是说、基于一些 CAPx.x 迹线的长度、较长的迹线比较短的迹线具有更大的寄生电容、还有一些相当长的迹线。  除此之外、您将驱动表面积非常大的电极。  这会使每个通道上的总寄生电容非常大。  幸运的是、CapTIvate 外设可能处理很大的寄生电容、直到某个时间点。

    也就是说、在这里、我认为您将面临单个电极(滑块元件)具有一致灵敏度的一些挑战。  由于第4层(分离电源)和第5层(接地)、所有滑块元件下方都有大量接地、这将影响每个滑块元件的灵敏度。  您可以考虑使第4层成为接地网格而不是实心的、类似于第6层(底部)上的。  我不知道您是否可以奢侈地旋转第二块 PCB、但您可以首先使用此处的 PCB、如果灵敏度过低、则可以考虑第二次旋转时的网格接地。

    在任何一种情况下、您都可以为每个滑块元件拨入灵敏度、以补偿由同一 MCU 驱动的元件之间的灵敏度差异。  这很重要、因为您要创建滑块而不是按钮、因此要实现良好的一致性线性响应、您需要尝试让每个通道的灵敏度大致相同。  最糟糕的情况就是具有3个具有良好灵敏度的通道和1个具有低灵敏度的通道。  滑块算法准确检测您的手指所处的位置会变得更加困难一些。

    需要注意的另外一点是 LED 与滑块元件的接近以及将噪声耦合到相邻元件的可能性。  耦合是由于在它们打开/关闭时 LED 电容发生变化所致。  在我们的 CapTIvate 技术指南的设计一章中、有一节介绍 LED 配置、以防您没有看到相关内容。  看看 LED 驱动器、我假设驱动引脚为低电平可打开 LED、然后在 LED 关闭时使引脚悬空(高阻态)。  在该配置中、建议在 LED 上使用1nf 电容器。  不必靠近 LED、就在沿着线迹的某个位置。

    再说一次、我认为您是可以的、并且很可能不会看到任何问题。

    Dennis

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    Dennis、

    首先、感谢您花时间回顾设计。

    由于 LED 所需的电流量、我不想移至 L4上的网格平面。 我确实能够进行另一次旋转、如果我们具有过大的寄生电容、将考虑这一点。

    我还在考虑为 LED 添加1nF 电容器。 目前、我们没有使用串联电阻、并依靠 LED 驱动器来设置电流限制。 如果我添加电容器、我感觉串联电阻可能是提高可靠性的好主意。 我将看看我是否能使这一切都合适。

    您关于匹配灵敏度的声明很有用。 这是我们需要做的事情。 我还在考虑从3弹齿滑块变为5弹齿滑块形状。 使用我的设计规则、我能够生成可制造的5齿设计、并且由于每个元素之间有更多的空间、因此每个元素的表面积略小。 我的理解是,这也应该改善每个要素之间的内插。 与 EVK 相比、我们以前的板具有较低的分辨率。

    我还希望使用驱动屏蔽将有助于使灵敏度更加一致。 我正计划在 L5上的触控元件下并沿着滑块的内径放置一个网格罩。 我计划为每个滑块提供一个驱动屏蔽层。 您认为最好用任何一个电极驱动缓冲放大器吗? 我可以看到、将其从最高寄生电容的电极中驱动会如何改善最薄弱的环节。 这是一个很好的假设吗? 我要使屏蔽层远离馈入触控元件的迹线、因为我不想使屏蔽层的容性负载太大、以至于运算放大器无法跟上。

    再次感谢您、

    亚当

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    您好、Adam、

    "您认为最好用任何一个电极来运行缓冲放大器吗? 我可以看到、将其从最高寄生电容的电极中驱动会如何改善最薄弱的环节。 这是一个很好的假设吗?"

    [Dennis ]我认为使用寄生电容最高的电极驱动缓冲放大器将具有最慢的上升时间。  这意味着屏蔽的速度比其他电极慢。  我认为具有最小寄生电容的电极会更好、因为它会使缓冲放大器输出以最快的速度跟踪。