AD7142电容触摸传感器可编程控制器：技术解析与应用指南

在电子设备的设计中，电容触摸传感器的应用越来越广泛，它为用户提供了更加直观、便捷的交互体验。AD7142作为一款可编程的电容触摸传感器控制器，在这一领域展现出了卓越的性能。下面我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：AD7142.pdf

一、AD7142概述

AD7142和AD7142 - 1是集成了电容 - 数字转换器（CDC）的芯片，具备片上环境校准功能，适用于需要新颖用户输入方法的系统。它们可以与外部电容传感器连接，实现电容按钮、滚动条或滚轮等功能。

1. 关键特性

• 高分辨率与快速更新：拥有16位分辨率，在最大序列长度下更新速率可达36 ms，分辨率优于1 fF，能够精准地检测电容变化。
• 多通道输入：具备14个电容传感器输入通道，可满足多种应用场景的需求。
• 无需外部调谐：不需要外部RC调谐组件，简化了电路设计。
• 自动校准与补偿：片上自动校准逻辑可自动补偿环境变化，确保传感器在不同环境下稳定工作。
• 自适应阈值和灵敏度：能够根据用户的操作自动调整阈值和灵敏度，提供一致的触摸体验。
• 多种接口选择：AD7142采用SPI兼容串行接口，AD7142 - 1采用I2C兼容串行接口，方便与不同的处理器连接。
• 低功耗设计：工作电压范围为2.6 V至3.6 V，全功率模式下电流小于1 mA，低功率模式下仅为50 µA，适合电池供电的便携式设备。

2. 应用领域

AD7142广泛应用于个人音乐和多媒体播放器、手机、数码相机、智能手持设备、电视、AV设备和遥控器、游戏机等产品中，为这些设备提供了灵敏、可靠的触摸交互功能。

二、工作原理

1. 电容感应理论

AD7142采用分流法来感应电容。通过激励源在发射器和接收器之间产生电场，当手指或其他接地物体干扰电场时，部分电场线会被分流到地面，导致接收器测量的总电容减小。激励源和Σ - Δ ADC集成在AD7142上，发射器和接收器则构建在外部传感器的PCB上。

2. 传感器激活检测

当传感器被接近时，AD7142测量的与该传感器相关的总电容会发生变化。当电容变化超过设定的阈值时，AD7142会将其记录为传感器触摸事件。通过预编程的阈值水平，可以判断电容变化是否是由按钮激活引起的。

3. 环境校准

AD7142提供片上电容传感器校准功能，可自动调整环境条件对电容传感器环境水平的影响。通过持续监测CDC环境水平，并根据测量到的环境漂移调整STAGE_HIGH_THRESHOLD和STAGE_LOW_THRESHOLD寄存器值，确保传感器在动态环境条件下的可靠性和可重复性。

三、操作模式

1. 全功率模式

在全功率模式下，AD7142的所有部分始终保持全功率运行。当传感器被触摸时，AD7142处理传感器数据；如果没有传感器被触摸，AD7142测量环境电容水平，并将该数据用于片上补偿程序。在全功率模式下，AD7142以恒定速率进行转换。

2. 低功率模式

低功率模式下，AD7142的POWER_MODE位在设备初始化时设置为10。如果外部传感器未被触摸，AD7142会降低转换频率，从而大大降低功耗。当传感器未被触摸时，设备保持在低功率状态。每隔LP_CONV_DELAY ms（200、400、600或800 ms），AD7142进行一次转换，并使用该数据更新补偿逻辑。当外部传感器被触摸时，AD7142每36 ms开始一次转换序列，以读取传感器数据。

3. 关机模式

将POWER_MODE位设置为01或11，可使AD7142进入关机模式，此时设备完全关闭。

四、电容传感器输入配置

每个从外部电容传感器到AD7142转换器的输入连接都可以通过特定的寄存器进行独特配置。这些寄存器用于配置输入引脚连接设置、传感器偏移、传感器灵敏度和每个阶段的传感器限制，从而实现每个传感器的单独优化。

五、电容 - 数字转换器

AD7142的电容 - 数字转换器采用Σ - Δ架构，具有16位分辨率。通过开关矩阵，14个可能的输入连接到转换器的输入。转换器的采样频率为250 kHz。通过控制寄存器的Bits[9:8]可以设置抽取率，抽取过程是一个平均过程，可减少最终CDC结果中的噪声，但抽取率越高，每个阶段的输出速率越低，需要在无噪声信号和采样速度之间进行权衡。

六、转换序列器

AD7142具有片上序列器，可实现输入通道的转换控制。一个序列中最多可执行12个转换阶段，每个阶段可以测量来自不同传感器的输入。通过Bank 2寄存器，可以为每个阶段进行独特配置，以支持多个电容传感器接口要求。不同类型的传感器所需的转换阶段数量不同，例如按钮传感器通常需要一个序列器阶段，滚动条或滑块传感器需要八个阶段，8路开关需要两个转换阶段和一个测量传感器是否激活的阶段。

七、非接触式接近检测

AD7142的内部信号处理持续监测所有电容传感器，以实现非接触式接近检测。当检测到用户接近传感器时，所有内部校准会立即禁用，AD7142会自动配置为检测有效接触。通过设置FP_PROXIMITY_CNT和LP_PROXIMITY_CNT寄存器位，可以控制在用户离开传感器且接近不再活跃后，校准禁用期的长度。

八、中断输出

AD7142具有中断输出，可触发主机处理器上的中断服务程序。INT信号位于引脚25，是一个开漏输出。有三种类型的中断事件：CDC转换完成中断、传感器阈值中断和GPIO中断。每个中断都有启用和状态寄存器，转换完成和传感器阈值中断可以按每个转换阶段启用。状态寄存器指示触发INT引脚的中断类型，在读取操作期间，状态寄存器会被清除，INT信号会复位为高电平。

九、输出

1. 激励源

AD7142板载的激励源是一个频率为250 kHz的方波源，通过SRC引脚和SRC引脚输出，可在外部电容传感器PCB的发射器和接收器之间形成电场。通过控制寄存器的相应位，可以分别禁用两个输出引脚的源输出。

2. CSHIELD输出

为防止外部电容传感器的泄漏，AD7142提供CSHIELD电压输出，可作为任何屏蔽走线的电位。CSHIELD电压等于AVDD/2，为消除CSHELD输出上的任何振铃，需要在CSHIELD引脚和地之间连接一个10 nF的电容器。

3. GPIO

AD7142有一个位于引脚26的GPIO引脚，可配置为输入或输出。通过中断使能寄存器中的GPIO_SETUP位可以确定GPIO引脚的配置方式，当配置为输入时，可触发AD7142的中断输出。

十、串行接口

1. SPI接口

AD7142采用4线串行外设接口（SPI），包括数据输入引脚（SDI）、数据输出引脚（SDO）、数据时钟引脚（SCLK）和芯片选择引脚（CS）。数据在SCLK的负边沿从AD7142时钟输出，在正边沿时钟输入到设备。SPI命令字用于指示数据传输是读取还是写入，并给出数据传输开始的寄存器地址。

2. I2C兼容接口

AD7142 - 1支持行业标准的2线I2C串行接口协议，通过SCLK和SDA输入进行数据传输。AD7142 - 1是I2C串行接口总线上的从设备，具有7位设备地址，由ADD0和ADD1引脚设置。数据通过I2C串行接口以8位字节传输，通过起始条件和停止条件来控制数据传输的开始和结束。

十一、PCB设计指南

在设计PCB时，需要注意电容传感器板的机械规格，如传感器边缘到接地金属物体的距离、传感器边缘之间的距离、传感器板底部到控制器板或接地金属外壳的距离等。同时，芯片规模封装的印刷电路板焊盘尺寸和布局也有特定要求，以确保良好的焊接和散热性能。

十二、电源启动序列

在开发AD7142和μP串行接口时，建议按照以下电源启动序列进行操作：

1. 打开AD7142的电源。
2. 写入Bank 2寄存器（地址0x080至0x0DF）。
3. 写入Bank 1寄存器（地址0x000至0x007），注意在连续写入操作期间，地址0x001必须保持默认值0x0000。
4. 写入Bank I寄存器（地址0x001 = 0x0FFF）。
5. 读取相应的中断状态寄存器（地址0x008、0x009或0x00A）。
6. 每次INT信号被断言时，重复步骤5。

十三、典型应用电路

文档中给出了SPI接口和I2C接口的典型应用电路示例，展示了AD7142与主机的连接方式以及外围元件的配置。

十四、寄存器映射

AD7142的地址空间分为三个不同的寄存器组：Bank 1、Bank 2和Bank 3。Bank 1包含控制寄存器、CDC转换控制寄存器、中断使能寄存器、中断状态寄存器、CDC 16位转换数据寄存器、设备ID寄存器和接近状态寄存器；Bank 2包含用于为每个转换阶段独特配置CIN输入的配置寄存器；Bank 3包含每个转换阶段的结果寄存器。

总结

AD7142以其丰富的功能、高分辨率、低功耗和良好的环境适应性，为电容触摸传感器的设计提供了强大的支持。无论是在消费电子、工业控制还是其他领域，AD7142都能为产品带来更加出色的触摸交互体验。电子工程师在设计相关产品时，可以根据具体需求，充分利用AD7142的特性，打造出更加优秀的产品。大家在使用AD7142的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。