高度敏感的觸摸外殼通過(guò)擠壓或手指滑動(dòng)改變電池供電的醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)的功能。輕柔地握住這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)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(shè)備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)等手持式電池供電設(shè)備通過(guò) LCD（液晶顯示器）提供有效的觸覺(jué)用戶界面。也許這些工具用戶界面的下一步是使它們對(duì)施加在外殼上的外部壓力敏感。考慮到這一點(diǎn)，只需在設(shè)備外殼上簡(jiǎn)單的擠壓或手指滑動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)多種用戶可編程功能。

例如，通過(guò)使用短捏，手機(jī)可以快速拍照，而長(zhǎng)捏可以接聽(tīng)電話。此功能為使用手持設(shè)備提供了一系列新方法，但最好的做法是超靈敏的外觀對(duì)設(shè)備電池壽命的影響最小。

在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們將探討成功的兩個(gè)關(guān)鍵要求：對(duì)觸摸的精確靈敏度和有效的電池管理技術(shù)。

安裝在設(shè)備內(nèi)部的外部力傳感器

如果適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ谑殖衷O(shè)備上，力或應(yīng)變片傳感器會(huì)對(duì)壓力的微小變化做出反應(yīng)。該應(yīng)變片的正確型號(hào)配置是由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成的惠斯通電橋或力傳感器。

電阻是傳感器應(yīng)變片的建模元件。完整的傳感器結(jié)構(gòu)通常是具有可變電阻的導(dǎo)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(jié)構(gòu)允許電路板符合所需的形狀或柔性位置，而不會(huì)使電路板上的走線短路。生成的電阻值隨施加的應(yīng)力或力而變化。

圖3顯示了力傳感器的四個(gè)應(yīng)變片的布置。在靜態(tài)、無(wú)應(yīng)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(huì)發(fā)生變化，使得R1>·3和 R2<·4，而 R1= R4和 R2= R3.

四個(gè)電橋元件的電阻幅度從300Ω到10kΩ不等。如果設(shè)計(jì)人員保持在這些儀表的機(jī)械應(yīng)力限制范圍內(nèi)，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(yīng)變片。

電阻力傳感器必須由電壓源 V 激勵(lì)裁判.激勵(lì)電壓穩(wěn)定性會(huì)影響測(cè)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(yīng)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(gè)設(shè)備

人們可以成功地在設(shè)備的內(nèi)邊緣添加多個(gè)橋。這里的主要挑戰(zhàn)是檢測(cè)擠壓因素或器件外部封裝的細(xì)微變化。

手機(jī)的邊緣對(duì)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(shí)，該器件使用差分輸入IC測(cè)量傳感器的輸出電壓。

信號(hào)調(diào)理選項(xiàng)

Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ΔΣ ADC）是捕獲和數(shù)字化小差分電壓至關(guān)重要的應(yīng)用的合適構(gòu)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(gè)基準(zhǔn)電壓 （V裁判).附加 V裁判到電橋和ΔΣ ADC的基準(zhǔn)電壓源如圖5所示，可提供方便的比例數(shù)字結(jié)果。

圖5.六通道 24 位 ΔΣ ADC，具有 6 個(gè)可編程 GPO 端口。

圖5所示的多通道ΔΣ ADC非常適合此應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)需要一個(gè)ADC，可以將小的增量電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。24 位 ΔΣ ADC 產(chǎn)生 224或大約 1700 萬(wàn)個(gè)數(shù)字輸出代碼。對(duì)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(nèi)部增益模塊改善了這種情況。例如，分辨率為150nV有效值內(nèi)部增益為64，基準(zhǔn)電壓為3.0V，采樣速率為1ksps。

省電

ΔΣ ADC是該電路的強(qiáng)大補(bǔ)充，因?yàn)樗梢越馕鑫锢磉\(yùn)動(dòng)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(guān)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(cè)電路中的功耗來(lái)自兩個(gè)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(gè)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(shí)間內(nèi)等于16.17mW（公式3和4）。

總工作功率（PTOT_OP）和傳感器的功率為23.67mW（公式5和6）。

圖6.省電時(shí)序圖。

對(duì)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(dá)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(huì)產(chǎn)生ΔΣ ADC休眠功率（PADC_SL） 等于 4.29μW（公式 7和8）。

總睡眠功率 （PTOT_SL） 的 ΔΣ ADC 和傳感器為 4.29W（公式 9和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(yīng)用的總功耗成為時(shí)序算法的挑戰(zhàn)。這種極高的比率是通過(guò)固件編程有效控制操作和睡眠模式的強(qiáng)大動(dòng)力。在這一挑戰(zhàn)中，設(shè)計(jì)人員確定測(cè)量速率要求，因?yàn)閭鞲衅鳒y(cè)量1Hz至20Hz范圍內(nèi)的人為事件。

結(jié)論

電池供電的醫(yī)療設(shè)備（如工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)）的功能可以通過(guò)使設(shè)備外殼對(duì)觸摸高度敏感來(lái)擴(kuò)展，只需擠壓或手指滑動(dòng)即可。我們討論了一種輕柔地抓住這些設(shè)備的方法，以實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)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(cè)量，并使用有效的固件算法控制功耗。

審核編輯：郭婷