Microchip Capacitive Proximity Design Guide

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がんまさだい
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1 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願いますマイクロチップ社の静電容量式近接検出設計ガイド著者 : はじめに Xiang Gao Microchip Technology Inc. 近接検出を使うと物理的接触なしに電子装置を操作できますこの技術は製品の見た目と使いやすさを向上させ消費電力を低減します近接検出機能の実装には磁気赤外線可視光ドップラ効果誘導静電容量等数々の方法が使われてきましたこれらの方法にはそれぞれ利点と制約があります静電容量式センシングはユーザの接触または接近によるセンサの静電容量の変化を検出する方法ですマイクロチップ社のソリューションの場合センサには任意の導体材料を使えますそれを PIC MCU RightTouch mtouch ターンキーデバイスのピンに接続しますまた必要に応じて直列抵抗を挿入します一般的にセンサ近くに導電性の物体または高誘電率の物体が存在するとセンサの静電容量に影響を与えます静電容量を使わない方式と比べマイクロチップ社の静電容量式近接検出ソリューションは先進のソフトウェアおよびハードウェアフィルタを実装して信頼性の高い近接場検出を提供しますその他他のソリューションを上回る利点があります低コスト高度なカスタマイズ機能低消費電力他のアプリケーションとの統合が容易である事ですマイクロチップ社はファームウェアベースのソリューションとして 2 つの測定方式を提供します静電容量式分圧回路 (CVD) と充電時間計測ユニット (CTMU) です CVD に関するアプリケーションノート (AN1478 mtouch センシングソリューションのアクイジション手法 (CVD) ) と CTMU に関するアプリケーションノート (AN1250 マイクロチップ社製 CTMU の静電容量式タッチアプリケーションへの適用 ) は弊社のウェブサイトで提供しています本書では静電容量式近接検出機能を実装するためのマイクロチップ社の静電容量式センシングソリューションの使い方を説明しますさらにハードウェアレイアウトに関するガイドラインを提供し感度に影響を及ぼす要因を分析します本書の内容はマイクロチップ社の mtouch ターンキーデバイス (MTCH101 MTCH112) RightTouch ターンキーデバイス (CAP11XX) 8/10/12 ビット ADC を内蔵した汎用マイクロコントローラに適用できますマイクロチップ社汎用マイクロコントローラ用の mtouch フレームワークとライブラリはマイクロチップアプリケーションライブラリ (MLA で提供していますこのフレームワークとライブラリは幅広いノイズ除去オプションを実装していますこれは近接検出に不可欠です静電容量式センシングの基本通常静電容量式センサはプリント基板上の金属で形成します図 1 に静電容量式センシングシステムの概要を示します図 1: 静電容量式センシングの理論基本的に静電容量式近接センサのスキャン方法は静電容量式タッチセンサと同じですデバイスはセンサの静電容量に大きな変化がないか常時監視します近接センサの信号変化はタッチ信号に比べてごくわずかですそれは距離が離れているためと電界の媒体がプラスチックやガラスではなく空気であるためです信頼性の高い近接検出を保証するには優れた信号 / ノイズ比 (SNR) を維持する必要があります従って近接検出回路は慎重に設計する必要があります 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_JP - p.1

センサの物理的レイアウト設計重要な設計要素としてセンサのサイズグランドプレーンおよびその他の低インピーダンストレースに対するセンサの位置 mtouch/righttouch デバイスの設定等がありますいくつかの簡単なガイドラインに従う事でユーザの接近や金属および高誘電率物体の動きを検出する回路を設計できます高信号強度かつ低ノイズで検出レンジを最大化するには以下の 5

システムグランドとセンシング対象の間のカップリングをできるだけ強める図 2: グランドプレーンの有無による電界分布の違い No Ground Near Sensor Sensor Pad PCB Ground Plane/Trace On Both Side グランドプレーンセンサのすぐ隣にグランドプレーンまたは金属表面があると近接検出のレンジを短くしてしまいます

2 センサの物理的レイアウト設計重要な設計要素としてセンサのサイズグランドプレーンおよびその他の低インピーダンストレースに対するセンサの位置 mtouch/righttouch デバイスの設定等がありますいくつかの簡単なガイドラインに従う事でユーザの接近や金属および高誘電率物体の動きを検出する回路を設計できます高信号強度かつ低ノイズで検出レンジを最大化するには以下の 5 つの重要な物理的設計要素がありますセンサとグランドプレーン ( プリント基板の全層と近くの金属物体 ) をできるだけ離すセンササイズを出来るだけ大きくする低インピーダンスのトレースとグランドプレーンからセンサを遮蔽するアクティブガードを使うシステム内でセンサができるだけ動かないようにして ( 両面テープ接着剤クリップ等 ) 誤ったトリガを防ぐバッテリ駆動のシステムの場合システムグランドとセンシング対象の間のカップリングをできるだけ強める図 2: グランドプレーンの有無による電界分布の違い No Ground Near Sensor Sensor Pad PCB Ground Plane/Trace On Both Side グランドプレーンセンサのすぐ隣にグランドプレーンまたは金属表面があると近接検出のレンジを短くしてしまいますグランドプレーンは近接検出に2つの影響を及ぼします第 1 に近づく物体の経路上にグランドプレーンが配置されている場合近接センサがその物体を検出するのを妨げますこれによってセンシングシステムの検出レンジが縮小します自由空間にあるセンサは電界をほとんど減衰なく全方向に自由に放射できますグランドプレーンが加わるとセンサから放射された電気力線はグランドプレーンで終端しようとしますグランドとセンサ間の距離が小さくなると放射電界強度は低下します従ってグランドプレーンがセンサに近いほど検出レンジは縮小します第 2 にグランドプレーンが近接センサの直下またはすぐ隣にある場合ベース静電容量が増加しますこれは検出レンジを 70 ~ 90% 低下させますさらに物体が近づいた時の信号変化率も低下するため感度が低下します図 2 にグランドプレーンがセンシング電界に与える影響を示しますセンサの形状と構造 Sensor Pad PCB Ground Plane システム設計にはそれぞれ固有の美的な目標と物理的制約がありますマイクロチップ社は大きなアプリケーション ( フォトフレームキーボード等 ) にはループ型のセンサ形状 ( 中央が空いた大きなトレース ) をより小さなボタンボードアプリケーションにはソリッドなパッド ( ループでないパッド形状 ) を推奨しますループ状のセンサを使うとマイクロチップ社のデバイスから見た総静電容量を低減しより大きな検出領域を形成できますグランドとの分離に限界があり必要な検出レンジを得るためにセンサ面積を大きく取る必要がある小さな基板ではパッド形状が最適ですループセンサはどのようなアスペクト比でもかまいません ( 例 : 20 cm x 20 cm 5 cm x 40 cm) 必要な検出レンジ耐ノイズ性能形状的制約を考慮して決定します 1 x 1 cm のような小さなループが検出できるレンジはわずかです 30 AWG のワイヤによる 30 cm x 30 cm のループは大きなレンジを検出できますこれより大きなループまたは太いワイヤはデバイスの校正レンジを超える可能性があります温度変化やセンサ上に異物がある場合の校正等各種条件下でのレンジ超過を避けるため総ベース静電容量を 45 pf 以下に保つ事を推奨しますパッドを選択した場合形状に制約はありません 1 cm x 25 cm (25 cm 2 ) のよう DS01492A_JP - p Microchip Technology Inc.

3 な細長いパッドは LCD モニタの下部または側部に適していますスペースがあれば 5 cm x 5 cm (25 cm 2 ) の大きなパッドを使えば大きなレンジで近接検出が可能です r = 2.83 cm ( ~ 25 cm 2 ) の円形のパッドでも同様の近接検出レンジを形成できますそれでは静電容量が大きすぎるという場合中央部をくりぬきループ形状に変える事ができます物理的形状に制約はありませんセンサは円形楕円形正方形長方形等にする事ができます基板周辺部を蛇行させる事も可能ですセンサの総効率は形状ではなく近接検出領域に進入するユーザまたは物体に対する導体の面積で決まります近接検出レンジはセンサのサイズに直接比例しますセンサが大きいほど近接検出レンジは拡大しますループセンサはワイヤ ( 絶縁の有無を問わず ) フレキシブル回路 PCB 上のパターンで形成できますワイヤの場合単線でも撚り線でも性能は同じですが製造工程において単線の方が組み立ては容易です太いワイヤほど表面積が増え検出レンジが拡大します使えるワイヤの太さは物理的設計の限界で決まります 30 AWG で設計を始め目標検出レンジに達し見映え校正の限界に達するまでゲージを大きくしていきます PCB ループセンサの場合トレース幅が大きいほど検出レンジが拡大します最小トレース幅 7 mil (0.18 mm) でもセンサとして機能しますがより幅を広げた方がより大きな検出レンジが得られます PCB パッドを使う場合も同じガイドラインに従う必要があります面積できるだけ大きくし近傍のグランドをできるだけ小さくします図 3 にセンササイズと検出距離の関係を示します VDD 電圧を大きくしても距離は伸びます VDD が大きいほどセンサはより大きなセンシング用電界を発生するからです表 1 に同じ回路で手を様々な距離に置いた場合のセンササイズに対する信号変化を示します図 4 に信号変化の割合 (%) も示します Note: 信号の割合 (%) は最大検出距離には直接関係しません検出距離を決めるのは信号 / ノイズ比 (SNR) です信頼性の高いシステムを作るには最大検出距離で 3.5 以上の SNR が必要です図 3: センササイズに対する検出距離 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_JP - p.3

4 表 1: 5 種類のセンサについての距離に対する信号変化センサから手までの距離ベースライン 4" 3" 2" 1" 0.5" 1 のソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドベースラインからの差分 1 のソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドのソリッドパッドベースラインからの信号変化の割合 (%) 1 のソリッドパッド 0.00% 0.39% 0.76% 1.32% 2.70% 4.98% 1.5 のソリッドパッド 0.00% 0.61% 1.17% 1.87% 4.17% 6.68% 2 のソリッドパッド 0.00% 0.96% 1.40% 2.78% 6.00% 8.15% 2.5 のソリッドパッド 0.00% 1.25% 1.78% 3.38% 8.05% 12.58% 3 のソリッドパッド 0.00% 1.19% 1.85% 4.07% 11.11% 18.52% 図 4: 検出距離に対する信号変化 20.00% 18.00% 16.00% 14.00% 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 1" solid pad 1.5" solid pad 2" solid pad 2.5" solid pad 3" solid pad 2.00% 0.00% 4" 3" 2" 1" 0.5" DS01492A_JP - p Microchip Technology Inc.

アクティブガード回路設計上の制約から大きなグランド通信ライン LED 制御ライン等の近くにセンサを配置せざるを得ない場合がありますいずれの場合もベース静電容量の増加またはセンサへの外乱を生じるため SNR は著しく低下しますアクティブガードはセンサとその周りの電位を下げる事でベース静電容量をできるだけ小さくする方法ですさらに周囲の低インピーダンス外乱からセンサ /

電極を駆動します相互駆動は電界を押し出すのではなくその方向に引き込みますただしこの方法はベース静電容量を増加させます電源に関する注意近接検出センサは応用回路の電源が交流でもバッテリ ( 直流 ) でも簡単に組み込めますしかし給電方法は近接検出距離に大きく影響します交流電源を使う場合とバッテリ駆動を使う場合の違いは接地方法です通常人体はアースと強くカップリングしています

BASE は並列です追加される総静電容量は単純に C BODY と C FINGER の合計です ( 図 8) 通常近接センサとグランドプレーンは離して配置するため C FINGER は C BODY に比べて非常に小さいものです図 7: 2 つのシステム給電方法図 5: ガードシールド付きのセンサ設計 User and Device Do Not Share Ground -

5 アクティブガード回路設計上の制約から大きなグランド通信ライン LED 制御ライン等の近くにセンサを配置せざるを得ない場合がありますいずれの場合もベース静電容量の増加またはセンサへの外乱を生じるため SNR は著しく低下しますアクティブガードはセンサとその周りの電位を下げる事でベース静電容量をできるだけ小さくする方法ですさらに周囲の低インピーダンス外乱からセンサ / トレースを遮蔽する効果もありますアクティブガードを使って電界を整形すれば接地されたシールドによって感度を低下させる事なく指向性のある検出を実現する事もできます図 5 のように PCB 裏面のセンサ下にハッチングパターンのガードプレーンを配置すると検出方向を PCB 表面に限定できます電界整形のもう 1 つの方法は相互駆動を使いますこの方法はセンサと異なる位相でトレース / 電極を駆動します相互駆動は電界を押し出すのではなくその方向に引き込みますただしこの方法はベース静電容量を増加させます電源に関する注意近接検出センサは応用回路の電源が交流でもバッテリ ( 直流 ) でも簡単に組み込めますしかし給電方法は近接検出距離に大きく影響します交流電源を使う場合とバッテリ駆動を使う場合の違いは接地方法です通常人体はアースと強くカップリングしています交流電源を使う場合 ( 図 7) 人体はタッチ / 近接システムと同じグランドを共有します指がセンサに近づくとピン静電容量を 2 つの点で増加させます 1 つ目はセンサと周囲のグランドプレーン間のカップリング C FINGER を強めます 2 つ目は人体はアースに対して静電容量 C BODY を持ちますこれらの静電容量は同じグランドを共有しているため C BODY C FINGER C BASE は並列です追加される総静電容量は単純に C BODY と C FINGER の合計です ( 図 8) 通常近接センサとグランドプレーンは離して配置するため C FINGER は C BODY に比べて非常に小さいものです図 7: 2 つのシステム給電方法図 5: ガードシールド付きのセンサ設計 User and Device Do Not Share Ground - Battery C BODY C FINGER C BASE Sensor Input V SS C GND C GND User User and Device Share Common Ground - Mains Sensor Input 図 6 にレイアウト例を示しますアクティブガードのレイアウトおよび駆動方法の詳細はアプリケーションノート AN1478 mtouch センシングソリューションのアクイジション手法 : 静電容量式分圧器で説明しています C BODY User C FINGER C BASE V SS 図 6: アクティブガード付きセンサのレイアウト例 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_JP - p.5

6 バッテリ駆動システムの場合人体とセンシングシステムの両方がアースに対してカップリング静電容量を持ちます通常人体の方がシステムとアースグランド間により大きなカップリング ( CGND) を追加します簡略化した物理モデル ( 図 8) では CGND と CGND を合わせて静電容量 CGND が形成されますこれは人体とシステムグランド間のカップリングと見なせますこの場合 C FINGER は依然として C BASE と並列ですが C BODY は C GND と直列です従って人体とシステムグランド間のカップリングはセンサに追加される総静電容量を決める大きな要因ですこの事から近接センサで良好な感度を得るにはシステムと人体が適切にカップリングしている必要があります図 9 に同じシステムで人体とのカップリングが異なる場合の感度を示しますシステムが壁面または交流電源近くに取り付けられている場合システムのグランドと交流電源グランドを接続するのが人体とシステムを強くカップリングさせ感度をできるだけ高める最も簡単な方法です図 8: 静電容量式センシングシステムの物理モデル図 9: pf) vity(count/p Sensitiv まとめ静電容量式センシングシステムの物理モデル (Shared Ground) (Battery Powered, Full Isolation) マイクロチップ社は低コスト低消費電力高 S/N 比高い柔軟性を備えた静電容量式の近接検出ソリューションを提供していますこのソリューションは大部分の応用回路で良好に動作し他のソリューションより少ない部品点数で構成できますマイクロチップ社の mtouch および RightTouch センシング手法の詳細と製品情報は弊社ウェブサイトをご覧ください DS01492A_JP - p Microchip Technology Inc.

7 マイクロチップ社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意くださいマイクロチップ社製品は該当するマイクロチップ社データシートに記載の仕様を満たしていますマイクロチップ社では通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合マイクロチップ社製品のセキュリティレベルは現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えていますしかしコード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です弊社の理解ではこうした手法はマイクロチップ社データシートにある動作仕様書以外の方法でマイクロチップ社製品を使用する事になりますこのような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えますマイクロチップ社はコードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し対応策に取り組んでいきますマイクロチップ社を含む全ての半導体メーカーで自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありませんコード保護機能とはマイクロチップ社が製品を解読不能として保証するものではありませんコード保護機能は常に進歩していますマイクロチップ社では常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいますマイクロチップ社のコード保護機能の侵害はデジタルミレニアム著作権法に違反しますそのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作物に不正なアクセスを受けた場合デジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する情報はユーザの便宜のためにのみ提供されているものであり更新によって無効とされる事がありますお客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保証する責任はお客様にありますマイクロチップ社は明示的暗黙的書面口頭法定のいずれであるかを問わず本書に記載されている情報に関して状態品質性能商品性特定目的への適合性をはじめとするいかなる類の表明も保証も行いませんマイクロチップ社は本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します生命維持装置あるいは生命安全用途にマイクロチップ社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとしまた購入者はこれによって発生したあらゆる損害クレーム訴訟費用に関してマイクロチップ社は擁護され免責され損害を受けない事に同意するものとします暗黙的あるいは明示的を問わずマイクロチップ社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません商標マイクロチップ社の名称とロゴ Microchip ロゴ dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 ロゴ rfpic SST SST ロゴ SuperFlash および UNI/O は米国およびその他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL Embedded Control Solutions Company は米国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です Silicon Storage Technology は他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit ロゴ CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified ロゴ MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA および Z-Scale は米国およびその他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の商標です SQTP は米国におけるマイクロチップテクノロジー社のサービスマークです GestIC および ULPP はマイクロチップテクノロジー社の子会社である Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 社の他の国における登録商標ですその他本書に記載されている商標は各社に帰属します 2013, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: マイクロチップ社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949: 2009 認証を取得していますマイクロチップ社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイスシリアル EEPROM マイクロペリフェラル不揮発性メモリアナログ製品に採用されていますさらに開発システムの設計と製造に関するマイクロチップ社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_JP - p.7

8 各国の営業所とサービス北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: Fax: ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: Fax: ダラス Addison, TX Tel: Fax: デトロイト Farmington Hills, MI Tel: Fax: インディアナポリス Noblesville, IN Tel: Fax: ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: サンタクララ Santa Clara, CA Tel: Fax: トロント Mississauga, Ontario, Canada Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: オーストラリア - シドニー Tel: Fax: 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: Fax: 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 杭州 Tel: Fax: 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: 中国 - 南京 Tel: Fax: 中国 - 青島 Tel: Fax: 中国 - 上海 Tel: Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: Fax: 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: Fax: 中国 - 厦門 Tel: Fax: 中国 - 珠海 Tel: Fax: アジア / 太平洋インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: 日本 - 大阪 Tel: Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: 韓国 - 大邱 Tel: Fax: 韓国 - ソウル Tel: Fax: またはマレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: Fax: 台湾 - 新竹 Tel: Fax: 台湾 - 高雄 Tel: Fax: 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: Fax: ヨーロッパオーストリア - ヴェルス Tel: Fax: デンマーク - コペンハーゲン Tel: Fax: フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: イタリア - ミラノ Tel: Fax: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: スペイン - マドリッド Tel: Fax: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: /20/13 DS01492A_JP - p Microchip Technology Inc.

PIC10(L)F320/322 Product Brief

PIC10(L)F320/322 Product Brief 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います PIC10(L)F320/322 PIC10(L)F320/322 製品概要高性能 RISC CPU: 命令は 35 しかなく習得が容易 : - 分岐命令を除き全てシングルサイクル命令動作速度 : - DC 16 MHz クロック入力 - DC 250 ns 命令サイクル最大 1 K