AN1375CTMU 的用途

简介

自从在 PIC® 单片机中引入充电时间测量单元（ChargeTime Measurement Unit， CTMU）以来， CTMU 已广泛用于创建简单的低元件数触摸控制解决方案。一些应用利用它的性能解决输入之间的时间差，并将时间差降低到亚纳秒级。但认为CTMU只可进行时间和电荷测量就严重低估了它的能力。

为了证明 CTMU 的多功能性，本应用笔记提供了 48 个使用 CTMU 可实现的不同应用 （即给出了部分适用的应用类别）。其中许多应用仅使用几个或不使用其他元件便可在现有控制应用中实现新的功能。请记住这些应用仅呈现了基本理念，文本仅给出了其简化的形式。Microchip 可能不会为某些应用提供参考设计或源代码。请读者将这些想法作为开发自己的解决方案的出发点。

关于 CTMU

简单地说，CTMU 是一个片上恒流源，周围的数字电路用于精确控制它的操作 （图 1）。该电流源可在从0.55 µA 到 550 µA 的 4 个数值各相差十倍的范围下工作。当 CTMU 与片上 A/D 转换器和比较器配合工作时，CTMU 可执行以下基本功能：

• 电容测量 （相对和绝对）

• 电感测量 （相对）

• 电阻测量 （相对和绝对）

• 高分辨率时间测量

这些基本功能不仅对各种应用有用，而且还可用作更复杂应用的基础，例如：

• 温度测量

• 电流源 （恒定和可变）

• 产生精确的延时

• 脉宽调制 （Pulse-Width Modulation， PWM）输出

后面的章节中涵盖了不同类型的应用。

图 1： CTMU 框图

作者： Padmaraja Yedamale 和 Jim BartlingMicrochip Technology Inc.

CTED1

CTED2

电流源

边沿

控制

逻辑

CTMUCON

脉冲发生器

A/D 转换器 比较器 2 输入

Timer1

OC1

电流控制

CTMUICON

CTMU控制逻辑

A/D 触发信号

CTPLS

比较器 2 输出

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基于电气原理的应用

相对电容测量

到目前为止，相对电容测量是CTMU的应用设计中最常用的方法。这并不奇怪，因为有很多应用需要相对电容测量。

当提供了恒流源时，测量相对电容就很容易了。恒流源（I）在时间 t 内对未知外部电容（C）充电至电压（V）。根据电容的基本公式 I = C dv/dt，当电流和时间为常量时，电压（V = I * t/C）和电容值成反比变化。在相对电容测量应用（例如电容触摸传感）中，当手指触摸容性触摸按键时，电容增加，从而降低充电电压。

以具有 30 pF 总电容（包括寄生电容，如开关（CSW）和电路（CCIR））的一个简单触摸应用为例，如图 2 所示。使用 5.5 µA 电流对外部电路充电 10 µs 后，将产生1.83V 的电压。当有手指触摸时，会添加最多 10 pF 的额外电容（CF）。电容的确切值取决于手指与触摸按键的接触面积以及触摸按键上覆盖的所有材料。对于10 pF 的电容变化，当电流和充电时间相同时，电压为1.38V。

该电压是由单片机的A/D转换器以较短的时间间隔测量得到。电压的变化 （特别是减少）可解释为触摸事件。

所有这些应用都使用相同的基本原理：

1. 电容触摸传感控制

正如上文所述，相对电容变化可用于控制应用，方式与扫描开关、按钮或触摸屏相同。通过将 A/D 转换器的多个输入通道与 CTMU 配合使用，可实现多个触摸控制。

2. 麦克风 （直接音频到数字）

麦克风的元件电容不断变化，与膜片的振动频率成比例。单片机的 A/D 持续采样产生的电压并创建一个数字信号。

3. 接近传感器

很多时候，不需要直接接触即可更改电路的电容：手放在 PCB 的附近可能就足够了。（如果您不相信，只需回想下您上次尝试在一台老式收音机上调收远距离电台的情况。）使用适当的元件，并进行软件调节和布局选择，CTMU 便可以与检测触摸相同的方式检测手指的接近。

4. 探测器

墙另一侧上的螺柱（金属或不是，带或不带钉子或金属紧固件）将更改墙表面的局部电容。

5. 侵入检测

与使用旧时采用光电元件，利用切断光源的原理相比，电容传感器可嵌入在出入通道内。每当有人穿过时，传感器的电容会发生变化。

6. 液位检测

仅从字面意义上来说，这是对电容的一个巧妙的理解。取一块导电板并在其上放置一个由绝缘材料（例如，玻璃）制成的容器。将容器装满液体，这样您就拥有了一个电容。在该装置中，容器的电容随着液位的变化而变化。容器和导电板的大小可根据应用的要求缩放。（但是，请注意，应用需要针对每个不同的容器和每种类型的液体进行校准。）

液位检测也可通过沿容器的长或高放置一个导体实现。工作原理完全一致。

图 2： 电容触摸传感的基本原理

具有 CTMU 的 PIC® MCU

A/D 转换器

CTMU电流源

放电

MUX

A/D

CADCSW CCIR

CF

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7. 压力/力传感器

取两块导电板，一块固定住，另一块用弹簧安装。除了一个空气介质电容，您还有一个传感器，其改变的电容量与施加给弹簧安装板的重力或力成比例。这可充当某种形式的应力传感器，以及一种直接使用 CTMU 测量压力（也许是重力）的方法。

8. 自动猫砂盘

相对电容检测不只是针对液体或手指触摸。例如，当砂盘未被使用和猫已使用过时，也可测量猫砂盘的电容变化。电容的变化可用于触发清洁事件。

绝对电容测量

通过一些精确测量量化电容几乎与测量相对电容变化一样简单。需要两个步骤，如图3所示。必须先校准CTMU电流源。校准过程很简单：使用一个值已知的高精度（公差为 0.5% 或更低）电阻和精确的电压测量来计算实际电流。再根据此信息，使用相应的控制位微调电流源。

一旦将电流源校准到所需的测量精度，便将电流源切换到连有待测电容的 ADC/CTMU 通道。恒流源（I）在时间 T 内对未知外部电容（C）进行充电。然后，根据公式 I x T= C x V 计算出电容，其中， I 和 T 已定义，而 V通过单片机的 A/D 转换器测得。

有关校准 CTMU 电流源的详细信息，请参见 Microchip的 PIC24F 器件的 CTMU 参考文档（在本应用笔记的结尾列出）。

有很多应用需要测量绝对电容。这些应用包括：

9. LCR 表 （电容功能）

CTMU可直接测量一个未知电容以确定其值或者确认一个已标出值、但值得商榷的电容值。

10. 湿度检测

最新一代精密高分子湿度传感器根据电容变化（而不是较传统的电压或电流）提供其输出。在绝对电容配置中，CTMU 和 A/D 可将电容变化快速转换为电压，并从电压转换为相对湿度。

图 3： 电流源校准和电容测量

具有 CTMU 的 PIC® MCU

A/D 转换器

CTMU

ANx

RPR

电流源

A/D触发信号

MUX

A/D A/D 转换器

CTMU

ANy

CAPP

输出脉冲

EDG1

EDG2

RPR

ANX

Timer1

电流源

具有 CTMU 的 PIC® MCU

校准 测量

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相对电感测量

虽然通常与电容和 / 或电流相关，但 CTMU 也可用于测量电感变化。严格来说，实际上测量的是电感的时间常数。图 4 给出了一个如何实现此测量的典型配置。一个I/O 引脚设置为向电感输出 VDD 电压；同时，手动设置CTMU 中的边沿 1，就像接收到一个脉冲。 I/O 引脚的电压在使电感饱和后稍微延时到达 CTED2。测得初始脉冲到CTED2上的电压达到其最小输入阈值VIL（TVIL）之间的时间与电感值成正比。CTMU 连续获取电感时间常数的一系列瞬时值，并将其与建立的基准作比较。当时间常数变化时，将检测到一个事件。

示例应用包括：

11. 计量

许多现有技术的流量计在转子上使用一个金属片，效果近似于一个电感。电感的重复变化可用来确定旋转速度，进而得到通过流量计的流量。CTMU 提供了另一种简单的方法来测量该变化和计数事件。

12. 气象站 （风速传感器）

类似于计量应用，CTMU 可感应传感和计数风力表每分钟的旋转数；单片机将该转数转换为风速。当与湿度传感器和一个简单二极管结合使用时，CTMU 可为功能齐全的气象站实现一个单芯片解决方案 （见应用 # 10 和# 33 获取更多信息）。

13. 投币售卖机

电感式传感器用于检测投入的硬币。CTMU 可用来确定硬币的数量和币值。还可用来检测（和拒绝）金属块假币 （其具有和硬币不同的磁场特征）。

14. 接近检测 （第二部分）

所有上述应用均是基于同一原理的具体实例。任何基于电感或磁场接近检测（例如，电磁线圈位置）的应用均可通过将 CTMU 作为电感接口实现。

图 4： 通过延时测量相对电感变化

具有 CTMU 的 PIC® MCUI/O

CTED2

VIL

T0 TVIL

L

TVIL T0–( ) L∝

VDD 输出

电压响应

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精确时间测量

许多应用需要非常精确的时间测量。使用CTMU上的边沿触发引脚 （CTEDn）可精确测量时间，分辨率达纳秒级。这可通过在两个引脚的上升沿之间对 A/D 采样保持 （Sample-and-Hold， S/H）电容充电来完成，产生的电压直接与时间成比例。图 5 给出了时间测量的一般方案。基于CTMU的时间测量与运行单片机的时钟不同步。

这些应用包括：

15. 距离测量（超声波和激光设备）

CTMU用于测量初始发送脉冲和其反射的返回信号之间的往返回程时间。由此可确定测量距离，精确到一英尺。

16. 自适应巡航控制

作为上一个应用的扩展，自适应巡航控制（AdaptiveCruise Control，ACC）是基于连续测量保持行驶中的车

辆之间的距离不变的有效系统。CTMU 为系统提供射频或基于激光的测距解决方案。

17. 安全制动

这是自适应巡航控制的配套应用，它会在对象过近时自动触发刹车。即使未使用 ACC，基于 CTMU 的测距解决方案也同样可用作一个独立的安全制动应用。

18. 同轴电缆测量 （短路或开路的长度）

CTMU 可用于实现一个简单的时域反射仪 （TimeDomain Reflectometry，TDR）测量设备，该设备用于检测同轴电缆开路或短路故障发生的位置。故障位置可根据反射回脉冲所花费的时间确定 （图 6）。当在节点A 接入电压脉冲时，开路或短路电缆将反射回一个脉冲，所用时间与接入点到故障处的距离的两倍成正比（2 TO）。正确端接的电缆将不会返回反射脉冲。

图 5： 使用 CTMU 测量时间

图 6： 使用 TDR 测量同轴电缆

A/D 转换器

CTMUCTED1

CTED2

ANx

输出脉冲

EDG1

EDG2

CAD

RPR

电流源

具有 CTMU 的 PIC® MCU

VAD

0V

VAD

电流源在CTED1和CTED2上的

脉冲之间对 CAD 充电。

V RT

TO

ZO

RO

VPULSE

节点 A（VA）

T = 0 时： VA = VPULSE* (Z0/(R0+Z0))

T = 2 T0 时： VA = VPULSE* (RT/(RT+R0))

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19. 超声波流量计

同距离测量设备一样，CTMU 测量发送和接收脉冲之间的时间差。不过，在该应用中，固定传感器之间的时间差随着被测介质的流速而变化。

图 7 给出了一个简单的流量测量系统。在该装置中，单片机发送一个脉冲以通过超声波收发器传输，同时输入捕捉和输出比较模块接收来自收发器的输入信号。CTMU使用接收到的与超声波流耦合的信号来计算时间差，进而得到流速。

20. 全球定位系统（GPS）信号接口

GPS 的基本原理是用卫星根据信号传输时间进行三角定位。通过使用 CTMU 测量各个卫星信号的时间差，可确定地球上的相对位置。高精度CTMU时间测量所能提供的位置精度可接近整个卫星系统的极限精度。

21. 脉冲宽度 / 占空比解码

CTMU 可精确测量输入脉冲序列的各个脉冲宽度。如果已使用 PWM 将数据编码在数据流中，CTMU 可用于解调信号流并重新存储数字信息。 PWM 存在于许多应用中，如红外遥控器。

22. DTMF 检测和解码

解码脉宽调制序列的原理也可用在 DTMF 应用中。通过测量产品信号的脉冲宽度，可确定使用哪两个频率产生该宽度，从而确定被按下的键。

23. 频率计

同样，通过测量具有固定波长的信号上升沿之间的时间，使得频率计算变得很简单（根据 f = 1/T） 。这使CTMU 成为所有频率测量应用的一个相对廉价的前端。

24. 用于光学编码器的解码器

CTMU 可从光学解码器的三个（通常情况）输出读取输入脉冲序列，并确定脉冲速度和这些脉冲间的相位差。该数据可转化为旋转速度和方向，以及（有三个输入的）绝对旋转位置。

25. 光纤陀螺

这些设备通过检测围绕光纤环按相反方向旋转的两条光束的相位差测量位置变化。通过测量两个信号的边沿并将其与创建这两个信号的单一信号源作比较，CTMU 可用于计算相位差，从而知道设备的任何相对运动，

图 7： 超声波流量测量系统

超声波收发器

超声波

收发器

传感器

传感器

具有 CTMU 的 PIC® MCU

输入捕捉

CTMU 和 A/D

通用 I/O

通用 I/O

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电阻测量

上文已演示了许多电容和电感测量方法，那么为何不测量电阻呢？CTMU的恒流源和欧姆定律使测量电阻更简单：如果提供的电流和电压已知，或者电压可直接测量，就很容易计算出电阻。

包括以下示例：

26. 电阻式温度设备（RTD）

在许多应用中，使用一个已知温度系数的铂电阻来测量精确的高分辨率温度（超过 1000°F）。使用恒流源驱动RTD，单片机 A/D 读取的电压随温度的变化而变化。这个低元件数CTMU解决方案取代了使用许多分立元件的模拟电路。

27. PTC 和 NTC 传感器

正温度系数或负温度系数温度传感器 （分别为 PTC 或NTC）给出了另一种测量高达几百摄氏度的温度的方法。这些热敏电阻比较便宜并且与温度成非线性关系。通常， NTC 和 PTC 以分压器的形式来测量温度。使用CTMU 的恒流源，可直接测量电阻并可根据电阻推导出温度。

基于推导原理的应用

温度测量 （恒流源）

在这些应用中，可使用 CTMU 的恒流源和精确电流源来利用半导体的基本原理：P-N 结的正向带隙电压。当使用恒流源驱动二极管时，正向电压（VF）与温度成反比变化。

图 8 显示了如何将二极管（或任何方便的 P-N 结）连接到 CTMU 以进行温度测量。使用 CTMU，与一个12 位 ADC 一起，以 1°F 的分辨率测量温度。其他技术详细信息在 Microchip 的技术简介 TB3016 《利用PIC® MCU中的CTMU测量温度》（DS93016A_CN）中提供。

这一类应用包括：

28. 温度计

通用温度计可使用廉价的硅二极管取代相对昂贵的热敏电阻或专用传感器来测量温度。

图 8： CTMU 温度测量电路

29. 恒温器

CTMU支持应用的核心部件单片机直接监测温度，仅使用一个额外 （且廉价）的元件即可实现。

30. PCB 温度监测

在电路板被密封或置于机柜的应用中，CTMU 和二极管结合可添加一个廉价的监测解决方案。

31. 服务器温度监测

单片机不仅可监测温度，还可充当一个或多个机箱散热风扇的控制工具，为昂贵的硬件提供额外的安全保护。

32. RTCC/FRC 校准

许多单片机中的片上 RC 振荡器可能具有很高的温度系数，在整个工作范围内精度变化很大。使用 CTMU，可直接测量应用的温度 （而不是取环境温度作为近似值）并且可相应微调振荡器的频率。

33. 室内空气监测

除湿度传感器 （见 # 10）外， CTMU 还可用于同时测量温度和湿度。使用可驱动 LCD 显示器的单片机，这可创建一个单芯片解决方案。该应用还可用作更复杂的气象站 （见 # 12）的核心。

具有 CTMU 的 PIC® MCU

A/D 转换器

CTMU

ANx

电流源

MUX

A/D

VF

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34. LED 照明控制

在高功率固态照明应用中，LED 会产生大量热量，也许不及白炽灯或卤灯源，但足以在未控制温度时改变色带可靠性或灯光输出。CTMU 与传感器二极管一起可测量散热器的温度或环境温度（对于强制冷却系统）。同时，另一个 CTMU 通道实际上可使用 LED 通过测量它的正向偏置电压测量其温度。当物体变得很热时，该信息可用于降低功耗或增强冷却。

35. 电机温度监测

对于使用单片机调节速度和 /或功率的电机应用，CTMU可提供额外的控制力度：测量电机线圈的温度，并在达到毁坏温度前关闭电机，从而提供过热保护。

36. 各种家电应用

有一些围绕家居的电子应用需要温度检测或者可受益于它。如果该应用需要单片机，CTMU 提供一个更简单的方法来实现温度检测。包括以下示例：

• 冰箱

• 冰柜 （立式）

• 咖啡机

• 空调

• 除湿器

• 电暖器

• 气温控制存储装置 （例如，冰酒器）

37. 各种汽车应用

通过同样的原理，该列表可以扩展到包括汽车。任何需要温度监测的系统都可使用 CTMU 作为解决方案。车厢温度控制（单区域和多区域）和引擎温度监测仅是两个示例。

可变电流源

38. 电流回路控制应用

工业过程控制仪器经常使用电流回路通信提供抗噪声能力。对于工作电流范围为 4-20 mA 的系统，CTMU 的电流源可与外部电流镜像电路配合使用创建一个可变电流控制发送器。

PWM 生成

通过将 CTMU 与比较器（内部或外部）配合使用，提供了一种生成高分辨率、高频率脉宽调制的方法（图 9）。PWM 分辨率取决于内部 A/D 采样电容（CHOLD）所控制的范围，并可通过添加一个与 CHOLD 并联的外部电容来改变此分辨率。

39. 雷达的消隐脉冲

现代雷达产生的发射脉冲频率非常高，需要显示屏具有非常高速的消隐能力以保持接收器和显示器能够应对这种情况。通常，这样的转换速率对于传统的 PWM 发生器来说太快。然而当将 CTMU 用作脉冲发生器时，其运行速度足够快可跟上转换速度。

图 9： PWM 和脉冲生成

C2

CVREF

CTPLS

具有 CTMU 的 PIC® MCU

电流源

比较器

CTMUCTED1

C2INB

CDELAY

EDG1

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数模转换 （DAC）

产生 PWM 信号之后，再添加一个额外的步骤，将这个高频脉冲输出信号，通过低通滤波器以产生模拟信号。这在许多应用中都非常有用：

40. 音频发生器

在数字世界中，这始终是一种流行的应用：将数字位流转换为音频。在已存在单片机的设备中，CTMU 可实现一个简单的音频发生器以创建一系列音频反馈提示（不同频率恒定的或中断的音调）。若有足够的存储空间，CTMU DAC 甚至可以再现声音样本。

41. 数字 LCD 对比度控制

对于背光式显示屏，CTMU 可将数字控制输入转换为用于改变 LCD 面板对比度的控制电压。

42. 可编程参考电压

与上一个应用类似， CTMU DAC 可配置为针对给定数字输入生成已知电压输出。这可用作许多模拟和控制应用的恒压源。

延时应用

43. 硅测试仪

CTMU 的脉冲延时特性使其很容易创建一个可变时钟延时发生器。这可作为验证和特征化过程的一部分对数字电路执行采样保持扫描。

44. 示波器增强

对于缓慢和廉价的示波器，可使用基于CTMU的解决方案来增强输入测量分辨率。该解决方案使用脉冲延时功能，添加延时触发信号来采样 A/D 以获取重复的波形。时间延时可用作A/D的多个触发信号使之采集单个触发信号派生的多个采样，方法是对触发信号添加延时。

45. 时域 （延时）加密 / 解密

一种加密数字数据流的新颖方法是将一个或多个时段的固定延时添加到脉冲序列。在不知道插入延时的位置的情况下，不可能建立一个参考帧来解密信号。但是若已知延时位置，CTMU 的脉冲延时功能可用于有效去除延时并将脉冲序列恢复到原始形式。脉冲延时功能还可用于执行初始加密。图 10 给出了加密过程的简化形式。

当然，这涉及到不仅仅是 CTMU 硬件，例如，确定密钥序列和帧同步，但值得推崇的是，它使得应用无需采用复杂且昂贵的解码硬件。

医疗应用

46. 超声波图像诊断 （传感器头）

如前面的应用所述，CTMU 可用于测量发送脉冲和反射脉冲的时间差。该信息可实时连续地提供给图形处理器或处理应用程序以创建图像。这可作为超声麦克风（# 2）直接实现，或通过超声波拾音器（# 15）间接实现。

图 10： 延时加密 / 解密的简化流程

数据输入

延时 1

延时 2

延时 3

延时 4

延时 n

具有 CTMU 的

加密 解密

数据输出

延时加密的数据

CTED1 CTPLS

延时数据

帧数据

PIC® MCU

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真正复杂的应用

47. 解决世界饥饿

通过大规模部署廉价的温度 （# 28）和湿度传感器（# 10），就可能对许多农业地区的气候变化实现连续的高分辨率测量。这使得创建更精确的水分和养分供给的闭环系统成为可能，至少在理论上可行。转而可推动农作物的产量达到最大。在足够多的地方进行此举，那么将有足够的粮食养活每一个地方的每一个人。（请注意，这并非一件轻而易举的事。）

48. 促进世界和平

诚然，我们仍然在为世界和平而努力中。这可能超出了CTMU 的范围，或者还需要给予足够的时间。也许这个问题可以留给读者。

结论

乍一看，单片机上的恒流源似乎用途有限。而本文证明了CTMU可与PIC单片机中可用的许多其他外设组合使用，提供一种创建大量应用的简单方法。

这里给出的48个例子仅抓住了可行应用的一些皮毛。欢迎读者来扩大这些可能性。

参考资料

Bartling， J. “Low-Cost, High-Resolution TimeMeasurement Application”， ECN Magazine Online，2009 年 7 月 16 日。

《PIC24F 系列参考手册》，第 11 章 “ 充电时间测量单元 （CTMU） ” （DS39724）， Microchip TechnologyInc.， 2010。

《PIC24F 系列参考手册》，第 53 章 “ 带阈值检测功能的充电时间测量单元（CTMU） ” （DS39743） ，Microchip Technology Inc.， 2010。

Yedamale，P. 技术简介 TB3016，《利用 PIC® MCU 中的 CTMU 测量温度》（DS93016A_CN）， MicrochipTechnology Inc.， 2009。

有关 Microchip 电容触摸传感的更多信息，请参见www.microchip.com/mtouch上的在线mTouch™触摸传感解决方案设计中心。

DS01375A_CN 第 10 页 2012 Microchip Technology Inc.

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