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COMPONENTS
SENSING CAPACITIVO
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- ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
un principio di misurazione in grado di gestire questo effet-
to: il metodo basato sulla demodulazione di frequenza.
Il metodo basato sulla demodulazione di frequenza
Molte applicazioni sono esposte a interferenze notevoli pro-
venienti da fonti esterne.
Come abbiamo affermato in precedenza, i sensori capaciti-
vi sono molto sensibili alle interferenze. La ragione è che le
piastre di un condensatore tendono a fungere da antenna
per i segnali interferenti. In alcune applicazioni, come il rile-
vamento della presenza dei passeggeri, la capacità misurata
è relativamente piccola, a fronte di piastre del sensore più
estese.
Inoltre, tali sensori sono esposti a fattori ambientali che non
influenzano la capacità elettrica in sé, ma che pos-
sono creare una conduttanza in parallelo che ha un
impatto sul processo di carica e scarica della capaci-
tà elettrica. Questo può causare errori nella maggior
parte dei metodi di misurazione.
ams ha sviluppato un metodo per gestire questi pro-
blemi, che sarà implementato in una nuova linea di
prodotti standard. Il metodo può già essere testato su
chip campione.
Il chip genera una frequenza di misurazione che viene ap-
plicata attraverso uno stadio di amplificazione alla capacità
elettrica misurata. La corrente viene misurata e filtrata in
una banda molto stretta tramite un filtro passa-banda ad alte
prestazioni (Fig. 7). Questo filtraggio assicura che solo gli
intervalli di frequenze compresi nella frequenza del segnale
di eccitazione sono misurati; eventuali frequenze di disturbo
presenti in altre bande sono del tutto ignorate.
Dopo il filtraggio del segnale di misura, un demodulatore
sincrono lo divide in segnale di fase e quadratura (segnali I
e Q). Così il risultato finale passato al convertitore analogico-
digitale è in fase con la tensione (resistiva) e 90° fuori fase
(capacitiva). Pertanto la conduttanza, oltre a non distorcere il
risultato della misurazione capacitiva, è anche nota. In que-
sto modo il suo valore può essere utilizzato in applicazioni
speciali. Di conseguenza, il metodo di demodulazione di fre-
quenza messo a punto da ams non solo sopprime qualsiasi
interferenza, ma rende misurabile la conduttanza stessa. Le
frequenze interferenti possono essere inoltre sop-
presse e la frequenza di misurazione può essere
modificata per evitare interferenze sulla banda di
frequenza in uso. Inoltre, il chip ams offre un pin
separato che fornisce un driver per l’eventuale
schermatura dei cavi collegati alla capacità elet-
trica. Quando è eccitato con il segnale di misura,
il chip ams può eliminare l’effetto della capacità
elettrica del cavo di alimentazione.
Questo nuovo metodo sviluppato da ams sopprime le fonti
esterne di capacità elettrica in modo estremamente effica-
ce: gli esperimenti condotti sui volanti delle auto, in cui un
sensore capacitivo viene utilizzato per rilevare la vicinanza
delle mani del guidatore, non hanno mostrato influenze da
impulsi di commutazione di corrente fino a 10A (dovuti all’a-
limentazione del circuito di riscaldamento).
Il nuovo metodo basato sulla demodulazione di frequenza è
in grado di acquisire misure molto precise di piccoli valori
di capacità elettrica, offrendo al tempo stesso un’immunità
molto elevata alle fonti esterne di interferenza, alle quali i
grandi sensori capacitivi sono intrinsecamente vulnerabili.
I sensori capacitivi sono molto utilizzati nel mondo dell’elet-
tronica in quanto sono soluzioni economiche da produrre,
facili da capire e non troppo complesse da implementare.
Ad ogni modo, possono sorgere delle difficoltà quando è
necessario ottenere misurazioni precise delle variazioni di
capacità elettrica, dato che l’intervallo dei valori di capacità
elettrica del sensore di norma è molto ridotto (dell’ordine di
grandezza dei pF).
Solo una buona comprensione della natura dei sensori e dei
metodi disponibili per misurare la capacità può portare a
risultati precisi, affidabili e ripetibili dopo anni di funziona-
mento sul campo.
Il presente articolo descrive e mette a confronto sei metodi,
alcuni ampiamente utilizzati, altri di nuova concezione. Illu-
stra i vantaggi e gli svantaggi dei diversi principi di misura-
zione e permette di avere un quadro più chiaro dei problemi
di ciascuno, indicandone anche le relative soluzioni. Forni-
sce anche suggerimenti sull’implementazione della misura-
zione diretta, nonché consigli sugli elementi parassiti e altre
potenziali fonti di distorsione.
Fig. 7 - Diagramma a blocchi del metodo basato sulla demodulazione di frequenza
Fig. 6 - Gli switch interni consentono il rilevamento e la compensazione delle capacità
elettriche parassite