FDC系列电容传感器及FDC2214使用要点

陈拓 2021/02/21-2021/02/21

1. 概述

电容式传感是一种低功耗、低成本且高分辨率的非接触式感测技术，适用于从接近检测、手势识别到远程液位感测的各项应用。电容式传感系统中的传感器可以采用任意金属或导体，因此可实现高度灵活的低成本系统设计。

FDC是Ti公司的一系列低功耗高精度的电容传感器芯片，使用I2C数据接口。

FDC2112、FDC2114、FDC2212和FDC2214是高分辨率、多通道、电容-数字转换器，用于实现电容传感解决方案。相对于传统的开关电容结构，FDC2112、FDC2114、FDC2212和FDC2214采用L-C谐振器，也称为L-C谐振腔作为传感器。与其他电容传感解决方案相比，窄带结构具有很强的的电磁干扰抗扰度并大大降低本底噪音。

使用这种方法，可以观察到L-C谐振腔的电容变化，也就是谐振频率的偏移。利用这一原理，FDC是一种测量LC谐振器振荡频率的电容-数字转换器。FDC芯片输出一个与频率成比例的数字值。这个频率测量值可转换为等效电容。

特性

官方网址

https://www.ti.com.cn/product/cn/FDC2214?utm_source=baidu&utm_medium=cpc&utm_campaign=asc-null-null-GPN_CN-cpc-pf-baidu-cn&utm_content=Device&ds_k=FDC2214&DCM=yes&gclid=CN6Vy9Lk3O4CFQn2vAodsfwNNQ&gclsrc=ds

下载数据手册：

本文内容编译自该数据手册。

2. FDC2214的功能方框图

FDC的前端是谐振电路，后面是一个多路复用器，多路复用器的活动通道将传感器频率fSENSOR连接到核心Core。这个核心使用参考频率fREF来测量传感器频率。fREF是内部或外部参考时钟（振荡器）。每个通道的数字化输出是fSENSOR/fREF的比值。I2C接口用于芯片配置和传输结果数据。SD用于设置关机模式，以节省电流。可配置的中断引脚INTB用来通知主机芯片状态的变化。

测量原理

FDC2214采用L-C谐振器作为传感器。通过测量LC谐振器的振荡频率，输出一个与频率成比例的数字值。这个频率测量值可转换为等效电容。

引脚和功能

3. 功能描述

3.1 时钟架构

FDC的时钟分配器和多路复用器。

在图12中，关键时钟是fIN、fREF和fCLK（在图中用粗体显示）。fCLK可以从内部时钟源或外部时钟源（CLKIN）中选择，由寄存器0x1A的REF_CLK_SRC位设置。频率测量基准时钟fREF由fCLK源导出，由寄存器0x14-0x17的CHx_FREF_DIVIDER位对应通道0-通道3设置。精密应用建议使用外部主时钟，以提供应用所需的稳定性和准确性。内部振荡器可用于不需要高精度，要求低成本的应用中。fINx时钟由通道x的传感器频率fSENSORx导出，由寄存器0x14-0x17的CHx_FIN_SEL位对应通道0-通道3设置。fREFx和fINx必须满足表1中列出的要求，这取决于fCLK（主时钟）是内部还是外部时钟外部时钟。

表2显示了所有通道的时钟配置寄存器。

3.2 多通道和单通道操作

FDC的多通道封装使用户能够节省电路板空间并支持灵活的系统设计。例如，温度漂移通常会导致元件值的偏移，从而导致传感器谐振频率的偏移。使用第二个传感器作为参考可以抵消温度变化。在多信道模式下工作时，FDC依次对活动信道进行采样。在单通道模式下，FDC对单个通道进行采样，这是可选的。表3显示了寄存器及其用于配置多通道或单通道模式的值。

每个通道的数字化传感器测量值（DATAx）表示传感器频率与参考频率的比值。

FDC2112和FDC2114的数据输出（DATAx）表示为16位结果的12 MSB（Most Significant Bit，最高有效位）：

FDC2212和FDC2214的数据输出（DATAx）表示为：

表4给出了每个通道的采样数据寄存器所包含的定点采样值。

当FDC序列以多信道模式通过信道时，每个信道的驻留时间间隔是三个部分的总和：

1) 传感器激活时间sensor activation time

2) 转换时间conversion time

3) 通道切换延迟channel switch delay

传感器激活时间是传感器振荡所需的稳定时间，如图13所示。这个时间是可编程的，并且应设置足够长以获得稳定的振荡。通道x的稳定等待时间由下式给出：

表5给出了用于配置每个通道的稳定时间的寄存器和值。

每个通道的SETTLECOUNT必须满足：

其中：

Vpk = 编程IDRIVE设置下的峰值振荡幅度

fREFx = 通道x的参考频率

C = 传感器电容，包括寄生PCB电容

IDRIVEx = IDRIVE寄存器的设置（单位：安培）

将结果四舍五入到下一个最高整数（例如，如果公式4建议最小值为6.08，就将寄存器编程为7或更高）。

转换时间表示用于测量传感器频率的参考时钟周期数。它由通道x的CHx_RCOUNT寄存器设置。各通道x的转换时间为：

必须选择参考计数值以支持所需的有效位数（ENOB）。例如，如果需要13位的ENOB，则最小转换时间为个时钟周期。8192个时钟周期对应于CHx_ RCOUNT值0x0200。

注意：分辨率和效位数ENOB是不同的。FDC2214的分辨率高达28位，而ENOB随频率的增加（转换时间减少）而降低。

表6位转换时间配置寄存器。

典型的通道切换延迟时间在转换结束和随后通道的传感器激活开始之间：

确定FDC的转换时间允许以固定时间间隔进行数据轮询。例如，如果可编程RCOUNT设置为512 FREF循环，SETTLECOUNT设置为128 FREF循环，则进行一次转换取1.8毫秒（传感器激活时间）+ 3.2毫秒（转换时间）+ 0.75毫秒（通道切换延迟）= 16.75毫秒/每通道。如果FDC通过设置AUTOSCAN_EN=1和RR_SEQUENCE=00配置为双通道操作，则每33.5毫秒可以从数据寄存器获得一个完整的转换结果。

数据就绪标志（DRDY）也可用于中断驱动系统设计（参见寄存器映射中有关状态寄存器STATUS的描述）。

3.2.1 增益和偏移（仅限FDC2112、FDC2114）

略过，我使用FDC2214。

3.3 电流驱动控制寄存器

表9中列出的寄存器用于控制传感器驱动电流。应该遵守表的最后一列给出的建议。

CHx_IDRIVE域的编程应确保传感器以1.2Vpk（VSENSORMIN）和1.8Vpk（VSENSORMAX）之间的振幅振荡。IDRIVE值00000对应于16µA，IDRIVE=b11111相当于1563微安。

高传感器电流驱动模式可以启用，以在通道0上驱动大于1.5mA的传感器线圈，仅在单通道模式可用。当建议的传感器最小振幅用最高的IDRIVE设置达不到1.2V时，可使用此功能。将HIGH_CURRENT_DRV寄存器位设置为b1可以启用此模式。

3.4 设备状态寄存器

表10中列出的寄存器可用于读取器件状态

请参阅寄存器映射部分中的STATUS和STATUS_CONFIG寄存器描述。这些寄存器可以配置为在INTB引脚上触发特定事件的中断。必须满足以下条件：

使能STATUS_CONFIG寄存器中相应的位，错误或状态寄存器不能被屏蔽。
INTB功能必须通过设置CONFIG.INTB_DIS为0使能

当状态寄存器中的一个位字段被设置时，整个状态寄存器的内容被保留，直到读取或直到DATA_CHx寄存器被读取。读取也会取消INTB。

中断由以下事件之一清除：

1) 进入睡眠模式

2) 上电复位

3) 器件进入关机模式（SD有效）

4) 软件复位

5) I2C读取状态寄存器：读取状态寄存器将清除STATUS中设置的任何错误状态位以及ERR_CHAN字段并取消INTB

设置寄存器配置CONFIG.INTB_DIS为b1禁用INTB功能并保持INTB引脚高。

3.5 输入抗尖峰脉冲滤波器

输入抗尖峰脉冲滤波器抑制EMI和高于传感器频率的振铃。只要其带宽配置为高于最大传感器频率，它不会影响转换结果。输入抗尖峰脉冲滤波器可以在如表11所示的MUX_CONFIG.DEGLITCH寄存器字段（域）中配置。为了最佳性能，建议选择超过传感器振荡频率的最低设置。例如，如果最大传感器频率为2.0 MHz，请选择MUX_CONFIG.DEGLITCH = b100（3.3MHz）。

4. 器件功能模式

4.1 启动模式

当FDC通电时，它进入休眠模式Sleep Mode并等待配置。一旦器件被配置，就可以通过设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为b0退出休眠模式。建议在睡眠模式下配置FDC。如果FDC上的设置需要更改，将器件返回休眠模式，更改相应的寄存器，然后退出休眠模式。

4.2 正常（转换）模式Normal (Conversion) Mode

在正常（转换）模式下工作时，FDC定期对传感器信号频率进行采样，并为活动通道生成采样输出。

4.3 休眠模式Sleep Mode

通过设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN寄存器域为1让器件进入休眠模式。在这种模式下寄存器内容会保持。要退出休眠模式，可设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为0。在设置CONFIG.SLEEP_MODE_EN为b0之后，第一次转换的传感器激活将在16384 个fINT时钟周期之后开始。在休眠模式下，I2C接口可以正常工作，这样寄存器的读写就可以执行。在休眠模式下，不执行数据转换。此外，进入睡眠模式将清除任何错误条件并取消INTB引脚功能。

4.4 关机模式Shutdown Mode

当SD引脚设置为高时，FDC将进入关机模式。关机模式是最低功率状态。要退出关机模式，请将SD引脚设置为低。进入关机模式将使所有寄存器返回其默认状态。在关机模式下，不执行转换。此外，进入关机模式将清除任何错误条件并取消INTB引脚功能。当器件处于关机模式时，无法通过I2C接口从器件读取或写入。

4.4.1 复位Reset

FDC可以通过写入RESET_DEV.RESET_DEV来复位。转换将停止，所有寄存器值将返回默认值。读取时，此寄存器位将始终返回0b。

5. 编程

FDC设备使用I2C接口访问控制和数据寄存器

5.1 I2C接口规范

FDC使用I2C扩展启动序列进行寄存器访问。I2C的接口最高速度为400kbit/s。此序列遵循标准I2C 7位从机地址，后跟一个8位指针寄存器字节设置寄存器地址。当ADDR引脚设置为低位时，FDC I2C地址为0x2A；当ADDR引脚设置为高时，FDC I2C地址为0x2B。在FDC退出关机模式后，ADD引脚不得更改状态。

编程：

I2C写寄存器序列：

I2C读寄存器序列：

6. 寄存器映射

6.1 寄存器列表

用Reserved表示的域只能用指定的值写入。否则可能发生不当的器件操作。R/W列指示相应字段的读写状态。“R/W”条目表示读写功能，“R”表示只读，“W”表示只写。

6.2 寄存器详细描述

略。

7. 应用与实现

7.1 应用信息

7.1.1 传感器配置

FDC支持两种传感器配置。这两种配置都使用LC谐振腔来设置振荡频率。典型的选择是18μH屏蔽贴片电感与33pF电容并联，这会产生6.5MHz振荡频率。在图54的单端配置中，IN0A连接了一个导电板，导电板与目标物体一起形成可变电容。

在图55的差分传感器配置中，一个导电板连接到IN0A，另一个导电板连接到IN0B，它们一起构成可变电容。在使用单端传感器配置时，将CHx_FIN_SEL设置为b10（除以2）。

在传感器板面积给定的情况下，单端配置允许比差分配置更高的感应范围。当要求在近距离处具有高灵敏度的应用中，差分配置比单端配置性能更好。

7.1.2 屏蔽

为了尽量减少外部物体的干扰，有些应用需要一个额外的板来起屏蔽作用。屏蔽板罩可以是：

有源主动驱动屏蔽：屏蔽是INxA引脚的缓冲信号。信号被一个外部增益为1的放大器电路缓冲。
无源屏蔽：屏蔽接地GND。增加无源屏蔽会降低传感器的灵敏度，但取决于感应板和屏蔽之间的距离。应调整感应板和屏蔽之间的距离，以达到所需的灵敏度。

7.2 典型应用

FDC可用于测量非导电容器中的液位。由于它的高性能激发率，可测量肥皂水、油墨、等导电液体。电容传感器可以连接到容器外部或远离容器，允许非接触测量。

工作原理基于比率测量；图56显示了可能的系统实现，它使用三个电极的装置。液位（Level）电极提供与液体高度成比例的电容值、参考环境电极和参考液体电极。参考液体电极反映了液体介电常数及其变化，而参考环境电极用于补偿非液体自身的任何其他环境变化。注意参考环境电极和参考液体电极有相同的物理大小（hREF）。

对于这种应用，因为油箱是接地的，适合使用有源信道上的单端测量。根据测量的电容确定液位：

CRE是参考环境电极的电容值
CRL是参考液体电极的电容值
CLEV是当前液位电极传感器的电容值
CLEV(0)是容器为空时液位电极的电容值
hREF是容器或液体参考电极所希望的高度

液位和参考电极的电容之比可以对容器内部液面的高度进行简单的计算。由于FDC2x1x的高分辨率，即使传感器远离容器，也可以获得非常高的灵敏度值（即许多LSB/mm）。请注意该方法假设容器从上到下有一个均匀的横截面，因此液体的增加或减少表示与液体高度直接相关的体积变化。

7.2.1 FDC液位测量原理图

7.2.2 设计要求

液位测量应独立于液体，可使用三电极实现上述设计。此外，传感器应与环境干扰物如人体、其他物体或电磁干扰隔离。

7.2.3 详细设计过程

在电容式传感系统中，传感器的设计对系统性能起着重要的作用。在大多数情况下，传感器只是一个金属板，可以设计在PCB上。本例中使用的传感器由两层PCB实现,顶层面对容器。有3个电极（参考环境、参考液体和液位），在电极周围有一个接地层。

根据容器的形状，FDC可以放置在传感器PCB上以最小化输入通道和传感器之间的连线长度。如果容器的形状或其他机械限制不允许传感器和FDC位于同一PCB上，则连接到传感器的通道连线需要用适当的屏蔽。

7.2.3.1 应用性能图

带有3个电极的液位传感器（如示意图所示）连接到EVM（评估板）。图表显示液位传感器在储罐中不同液位下测得的电容。参考液体和参考环境传感器的电容有一个稳定的值，因为他们的一直持续暴露在液体和空气中，而液位传感器（level）的电容随罐内液体的高度线性增加。

7.2.3.2 建议的初始寄存器配置值

应用需要100SPS（SPS，全称Samples per Second ，即每秒采样次数，是转化速率的单位。100SPS每次采样时间）。传感器使用18µH电感器和33pF电容器。另外，引脚、走线和导线电容约为20pF，因此总电容约为53pF。LC震荡频率：

注意：原文有误，应为：

这表示传感器频率的最大值。当传感器电容增加时，频率会降低。可以从CLKIN引脚输入使用外部40MH系统主时钟，也可以灵活设置内部时钟频率。传感器线圈连接到通道0（IN0A和IN0B引脚），通道1（IN1A和IN0B引脚）和通道2（IN2A和IN2B引脚）。接通FDC电源后，它将处于休眠模式，这时对寄存器进行如下编程（示例设置寄存器仅适用于通道0；通道1和通道2寄存器可以使用等效配置）：

1) 设置通道0的分频器

(a) 由于传感器为单端配置，传感器频率选择寄存器应设置为2，也就是将域CH0_FIN_SEL设置为b10。

(b) fREF0的设计约束为 > 4 × fSENSOR。要满足此约束，fREF0必须大于20.6 MHz，所以参考分频器应该设置为1。这是通过设置CH0_FREF_DIVIDER域为0x01来完成的。

2) 传感器驱动电流：为确保振幅在1.2V和1.8V之间，测量示波器上的振荡幅度，并调整IDRIVE值，或使用集成的FDC GUI功能以确定最佳设置。在这种情况下，IDRIVE值应设置为15（十进制），相应的振幅为1.68 V(pk)。INIT_DRIVE 电流域应设置为0x00。DRIVE_CURRENT_CH0寄存器（地址0x1E）的合并值为0x7C00=b0111’1100’0000’0000。

对照Table 41，CH0_IDRIVE域为15:11只有5位，b01111对应电流0.146mA。

注释：寄存器0x1E的DRIVE_CURRENT_CH0 = 0x7800（b0111’1000）更合适。见数据手册：

3) 编程设置通道0的时间（参见3.2 多通道和单通道操作）

(a) 约束条件

四舍五入为8。为了提供冗余以保证系统公差，选择更高的值10。

(b) 寄存器0x10应至少编程为10（0x0A）。

(d) 通道0的SETTLECOUNT寄存器（0x10）的值为0x000A。

4) 当fREF=40 MHz时，信道切换延迟约为1μs （参见3.2 多通道和单通道操作）

5) 通道0通过编程参考计数来设置转换时间。转换时间预算为：

有3个通道，所以N=3。

(a) 要确定转换时间寄存器值，请使用以下公式并求解CH0_RCOUNT转换时间。

(b) 这时CH0_RCOUNT的值为十进制8329（向下舍入）。注意，这会使ENOB > 13位。

6) 使用ERROR_CONFIG寄存器的默认值（地址0x19）。默认情况下，不启用中断

7) 编程MUX_CONFIG寄存器

(a) 将AUTOSCAN_EN设置为b1以启用顺序模式

(b) 将RR_SEQUENCE设置为b10以启用三个通道上的数据转换（通道0、通道1、通道2）

(d) MUX_CONFIG寄存器（地址0x1B）的综合值是0xC20D

8) 最后，对CONFIG寄存器进行如下编程：

(a) 将ACTIVE_CHAN域设置为b00以选择信道0

(b) 将Set SLEEP_MODE_EN域设置为b0以启用转换。

(d) 将REF_CLK_SRC域设置为b1以使用外部时钟源。

(e) 将其他域设置为其默认值。

(f) CONFIG寄存器（地址0x1A）的组合值为0x1601。然后，我们每隔10毫秒从寄存器地址0x00到0x05读取通道0到通道2的转换结果。

基于上述示例配置，建议采用以下寄存器写入顺序：

注意：表中的VALUE有误，根据前面的计算，表中寄存器的值应为：

0x08 0x2089

0x14 0x2001

7.2.3.3 电感自谐振频率

每个电感器都有一个分布的寄生电容，这取决于结构和几何形状。在自谐振频率（SRF），电感器的电抗抵消寄生电路的电容电抗。在SRF上方，电感器在电气上看起来像一个电容器。因为寄生电容控制不好或不稳定，建议：。

图58中的示例电感器具有6.38 MHz的SRF；因此电感器的工作频率不应高于0.8 × 6.38 MHz = 5.1 MHz。

7.2.4 应用曲线

常用试验条件（除非另有规定）：传感器电容器：1层，20.9 x 13.9 mm，Bourns CMH3222522-180KL传感器电感器，L = 18µH和33 pF 1% COG/NP0，传感器极板：接地铝板（176 x 123毫米），通道 = 通道0（连续模式），CLKIN = 40 MHz，CHx_FIN_SEL = b10，CHx_FREF_DIVIDER = b00 0000 0001， CH0_RCOUNT = 0xFFFF，SETTLECOUNT_CH0 = 0x0100，DRIVE_CURRENT_CH0 = 0x7800。

7.2.5 电源循环应用

对于不需要高采样频率或最大转换分辨率的应用，总的活动FDC的转换时间可以最小化以降低功耗。这可以通过使用不需要转换时的休眠模式或关机模式（参见设备功能模式）实现。

例如，对于每秒仅需要10个采样且分辨率为16位的应用程序，可以利用低功耗模式。传感器设置为SETTLECOUNT=16，IDRIVE为01111b（0.146 mA）。FREF=40 MHz和RCOUNT=4096即可提供所需的分辨率。这相当于每秒的有效转换时间为4096*16*10/40MHz→16.4ms。启动时间和通道切换延迟再增加额外的0.34毫秒。在剩余时间内，设备可以处于休眠模式：因此，平均电流为19.4ms*3.6mA有效电流+980.6ms的35µA休眠电流，约为104.6µA平均供电电流。休眠模式保留寄存器设置，因此比关机模需要更少的I2C写时间来唤醒FDC。

在非活动期间使用关机模式可以节省更多的电流。在关机模式下器件不保留配置，因此每次采样都必须重新配置器件。在这个例子中，每次采样配置大约需要1.2毫秒（13个寄存器*每个寄存器92.5µs）。总活动时间为20.6 ms.平均电流为20ms*3.6mA活动电流+980ms*2µA关断电流，即平均供电电流约为75µA。

7.3 注意事项

在不同配置的传感器板之间留有小间隙。最小间距为推荐2-3mm。
FDC不支持传感器的热插拔。不要热插拔传感器，例如使用外部多路复用器。

8. 电源建议

FDC电压范围为2.7V-3.6V。建议在VDD和GND引脚之间使用电容量为0.1 μF and 1 μF的多层陶瓷X7R电容器作为旁路电容。如果电源与FDC的距离超过几英寸，除了陶瓷旁路电容器外，还需要加电解电容，10μF的电解电容器是一种典型的选择。最佳位置应尽量接近器件的VDD和GND引脚。应注意尽量减少由旁路电容器连接VDD引脚和GND引脚形成的环路区域。看图63和图66的布局示例。

9. 布局

9.1 布局指南

避免将用长引线连接传感器和FDC。短的路径减少了电路间的寄生电容，提供更高的系统性能。
要求匹配通道响应的系统需要在所有活动通道上匹配走线的长度。

9.2 布局例子

图63至图66显示了FDC2114/FDC2214评估模块（EVM）的布局。