基於AD7147和AD7148的醫療保健設計方案【電容數字轉換器技術】

簡介

近年來，電子技術的進步為醫療保健行業的諸多創新和改進創造了條件。 醫療保健設備面臨的挑戰包括提出新的診斷和治療方法，實現遠程監控，開發家庭護理設備，提高質量和可靠性，以及增強靈活性和易用性。

40餘年以來，ADI公司豐富而全面的線性、混合信號、MEMS和數字信號處理技術給儀器儀表、成像和病人監護等領域的醫療設備設計帶來了重大的變革。 本文將集中探討電容數字轉換器(CDC)技術，該技術使得在醫療保健應用中使用高性能電容檢測成為可能。

電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶輸入法
電容式觸摸傳感器以類似圖1所示的按鈕、滑動條、滾輪或其他方式提供一種用戶界面。

圖1.觸摸傳感器佈局示例

各個藍色幾何區域表示印刷電路板(PCB)上的一個傳感器電極，構成虛擬電容器的一個極板。 另一極板則由用戶的手指構成，實際上，該極板相對於傳感器輸入是接地的。 AD7147/AD7148 CapTouch控制器系列專為激勵電容式觸摸傳感器和與之接口而設計，能夠測量來自單電極傳感器的電容變化。 器件首先輸出一個激勵信號，使電容器極板充電。 當一個物體（如用戶手指）靠近傳感器時，用戶充當電容器的令一個極板，將形成虛擬電容器（如圖2）。 利用電容數字轉換器(CDC)可以測量該電容。

圖2.電容檢測示意圖和典型響應

該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化，並藉助此信息來記錄傳感器激活事件。 AD7147和AD7148分別有13個和8個電容輸入，並均配有片內校準邏輯，用以對環境變化引起的測量變化進行補償，從而確保不會因溫度變化或濕度變化而在外部傳感器上產生 誤觸發事件。

AD7147和AD7148提供多種工作模式、用戶可編程的轉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，比如滑動條或滾輪，而且其對軟件的要求很低。 另外，無需使用任何軟件，即可用片內數字邏輯完整實現按鈕傳感器應用。

電容檢測和測量的基本原理
電容 是指電容器在電場中存儲能量的能力。 在其標稱形態中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲的電荷Q，計算公式為 。

對於平行板電容器，電容檢測和測量技術的本質如圖3所示。

圖3.測量平行板電容器的電容

平行板電容器由兩個導體（金屬板）構成，其特性為

導體面積， a & TI mes; b

兩個導體極板之間的 距離d

兩個導體之間的電介質，用介電常數er表示r

根據這種幾何結構，電容計算公式如下

其中，ε0為自由空間的介電常數

其中，ε0為自由空間的介電常數。

圖4.傳感器電氣配置

由於傳感器電容由a、b、d和er決定，因此，通過改變這些參數的值，或者觀察其值的變化，即可將CDC技術用於直接測量電容值以及多種其他應用之中，具體視 傳感器類型而定。 例如，如果a、b和εr是恆定的，CDC輸入與兩個導體之間的距離成反比。

應用
AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產品適用於涉及各類採樣速率、分辨率、輸入範圍和輸入傳感器類型的廣泛應用。 電容檢測技術的潛在應用範圍僅局限於用戶的創造力，我們下面就介紹一些其在醫療保健領域的可能的應用方法。