高度敏感的觸摸外殼通過擠壓或手指滑動改變電池供電的醫(yī)療設備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機的功能。輕柔地握住這些設備可實現(xiàn)最佳的動手性能和電池壽命。最佳解決方案是使用高精度 24 位 ΔΣ ADC 優(yōu)化此靈敏度，并使用有效的固件算法控制功耗。

介紹

便攜式醫(yī)療設備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機等手持式電池供電設備通過 LCD（液晶顯示器）提供有效的觸覺用戶界面。也許這些工具用戶界面的下一步是使它們對施加在外殼上的外部壓力敏感?？紤]到這一點，只需在設備外殼上簡單的擠壓或手指滑動即可實現(xiàn)多種用戶可編程功能。

例如，通過使用短捏，手機可以快速拍照，而長捏可以接聽電話。此功能為使用手持設備提供了一系列新方法，但最好的做法是超靈敏的外觀對設備電池壽命的影響最小。

在這個設計解決方案中，我們將探討成功的兩個關鍵要求：對觸摸的精確靈敏度和有效的電池管理技術。

安裝在設備內部的外部力傳感器

如果適當?shù)毓潭ㄔ谑殖衷O備上，力或應變片傳感器會對壓力的微小變化做出反應。該應變片的正確型號配置是由四個電阻應變片組成的惠斯通電橋或力傳感器。

電阻是傳感器應變片的建模元件。完整的傳感器結構通常是具有可變電阻的導電走線的 PCB（圖 2）。

圖2.惠斯通電橋或力傳感器。

理想的PCB材料是柔性塑料基板，例如聚酰亞胺或透明聚酯。柔性電路結構允許電路板符合所需的形狀或柔性位置，而不會使電路板上的走線短路。生成的電阻值隨施加的應力或力而變化。

圖3顯示了力傳感器的四個應變片的布置。在靜態(tài)、無應力的環(huán)境中，所有電阻值相等或 R1= R2= R3= R4.隨著用力甚至輕微的觸摸，電阻的值會發(fā)生變化，使得R1>·3和 R2<·4，而 R1= R4和 R2= R3.

四個電橋元件的電阻幅度從300Ω到10kΩ不等。如果設計人員保持在這些儀表的機械應力限制范圍內，則滿量程輸出，V外或AINP - ANIN，在10mV至100mV之間變化。

圖3.全橋柔性塑料電阻應變片。

電阻力傳感器必須由電壓源 V 激勵裁判.激勵電壓穩(wěn)定性會影響測量精度，因此需要穩(wěn)定的電壓源。

該傳感器的輸出電壓（AINP - ANIN）取決于應變片的物理和電阻增量范圍。例如，電橋的電阻為1.2kΩ，額定輸出為2mV/V，滿量程撓度為0.01in。至 0.05 英寸

環(huán)繞整個設備

人們可以成功地在設備的內邊緣添加多個橋。這里的主要挑戰(zhàn)是檢測擠壓因素或器件外部封裝的細微變化。

手機的邊緣對壓力和/或觸摸很敏感。只需輕輕擠壓即可激發(fā)傳感器。此時，該器件使用差分輸入IC測量傳感器的輸出電壓。

信號調理選項

Δ-Σ模數(shù)轉換器（ΔΣ ADC）是捕獲和數(shù)字化小差分電壓至關重要的應用的合適構建模塊。?S ADC具有差分輸入端口以連接到這些橋。ΔΣ ADC捕獲電壓之間的差異（在圖2中，AINP和AINN）以記錄施加的力。

該傳感器和 ΔΣ ADC 需要一個基準電壓 （V裁判).附加 V裁判到電橋和ΔΣ ADC的基準電壓源如圖5所示，可提供方便的比例數(shù)字結果。

圖5.六通道 24 位 ΔΣ ADC，具有 6 個可編程 GPO 端口。

圖5所示的多通道ΔΣ ADC非常適合此應用。這種設計需要一個ADC，可以將小的增量電壓變化轉換為數(shù)字代碼。24 位 ΔΣ ADC 產(chǎn)生 224或大約 1700 萬個數(shù)字輸出代碼。對于輸入范圍為3.0V的理想24位ΔΣ ADC，最低有效位（LSB）的大小約為179nV。但在圖5中，ΔΣ ADC內部增益模塊改善了這種情況。例如，分辨率為150nV有效值內部增益為64，基準電壓為3.0V，采樣速率為1ksps。

省電

ΔΣ ADC是該電路的強大補充，因為它可以解析物理運動產(chǎn)生的非常小的差分橋電壓。鑒于持續(xù)的外部監(jiān)控至關重要，在這種電池供電的環(huán)境中，要求將這些傳感單元的功耗保持在盡可能低的水平。

電橋檢測電路中的功耗來自兩個地方，即阻性電橋和ΔΣ ADC。

阻性電橋功率（P橋） 等于 V裁判1/1橋.例如，如果 R橋= 1.2kΩ 和 V裁判= 3.0V，一個傳感器的功耗為7.5mW（公式1和2）。

(Eq. 1)(Eq. 2)
 

通常，ΔΣ ADC電流消耗的規(guī)格為模擬（I安娜）和數(shù)字（I挖） 工作電源電流。在我們的電路中，ΔΣ ADC的模擬和數(shù)字電源為3.3V。使用圖4所示器件的規(guī)格，ΔΣ ADC I安娜= 4.2mA 和 I挖= 0.7mA，提供工作功率（PADC_OP），在通道掃描時間內等于16.17mW（公式3和4）。

PADC_OP = VDD × (IANA + IDIG)(Eq. 3)16.17mW = 3.3V × (4.2mA+0.7mA)(Eq. 4)
 

總工作功率（PTOT_OP）和傳感器的功率為23.67mW（公式5和6）。

PADC_OP = VDD × (IANA + IDIG)(Eq. 3)16.17mW = 3.3V × (4.2mA+0.7mA)(Eq. 4)
 

圖6.省電時序圖。

對于圖4中的ΔΣ ADC，如果GPOx電壓等于V裁判，電橋電流和電橋功率達到接近零的值（PBRIDGE_SL= 0W）。此外，典型的ΔΣ ADC休眠模式電流（ISL）為~1.3μA。這會產(chǎn)生ΔΣ ADC休眠功率（PADC_SL） 等于 4.29μW（公式 7和8）。

4.29μW = 3.3V × 1.3μA（公式8）
 

總睡眠功率 （PTOT_SL） 的 ΔΣ ADC 和傳感器為 4.29W（公式 9和10）。

PTOT_SL= PBRIDGE_SL+ PADC_SL（公式9）4.29μW = 0W + 4.2μ9W（公式10）
 

工作配置和睡眠配置之間的功耗之比約為 5，517。

現(xiàn)在，該應用的總功耗成為時序算法的挑戰(zhàn)。這種極高的比率是通過固件編程有效控制操作和睡眠模式的強大動力。在這一挑戰(zhàn)中，設計人員確定測量速率要求，因為傳感器測量1Hz至20Hz范圍內的人為事件。

結論

電池供電的醫(yī)療設備（如工業(yè)儀表、平板電腦或手機）的功能可以通過使設備外殼對觸摸高度敏感來擴展，只需擠壓或手指滑動即可。我們討論了一種輕柔地抓住這些設備的方法，以實現(xiàn)最佳的動手性能和電池壽命。最佳解決方案是使用高精度 24 位 ΔΣ ADC 優(yōu)化測量，并使用有效的固件算法控制功耗。

審核編輯：郭婷

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