电信号检测电路设计与制作
&&&& 摘要：本文通过三导联采集人体的心电信号，依次通过前置放大、高通滤波、50HZ陷波、主放大和低通滤波电路，得到可以在示波器上较清楚显示的心电图。其中，第一级前置放大是CMRR很大的差动放大器，此处采用仪用放大器AD620，放大倍数固定为10的电路；第二级是二阶有源高通滤波器电路，所设计的截止频率为0.05Hz；第三级是50hz陷波电路，能有效去除50HZ工频干拢；第四级是主放大，放大倍数为100倍，采用TL084；第五级为低通滤波器电路，所设计的截止频率为100Hz。该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低温漂和高信噪比等特点,很好地满足心电采集设备的要求，电路简单可靠，可行性强。
关键词：心电放大,AD620,TL084CD,滤波，陷波
&&& 心血管疾病是人类死亡的主要疾病之一，许多患者心脏病发作后由于未能及时发现和抢救极易发生死亡。然而由于心律失常的出现常常是偶发的，使用通常的心电图机等短程分析方法不易发现，现在较为有效的方法就是采用记录2小时以至更长时间的心电图并加以分析以期捕捉到心律失常波形。
&&& 心电放大电路设计应满足以下基本要求：⑴在测量过程中不允许影响正常的生理过程；⑵测得的生理信号不得失真；⑶最大可能地将信号与各种干扰分离；⑷一旦有电击事故等危险情况发生必须对病人提供有效地保护。其中，⑴、⑵、⑷直接与前置放大器设计的优劣有关，⑶主要靠后级的滤波电路实现，但是仍依赖前置级的成功设计。
&&& 本文研究设计了一种低功耗、结构简单、性价比高的心电放大器，在此基础上可研制出便携式动态心电记录仪。该仪器的最大优点是电路简单、实用、低功耗且成本低廉，对各中小型医院的危重病人的抢救和家庭监护有较好的实用价值。本文设计的心电放大器包括前置放大电路、高通滤波电路、陷波电路、低通放大电路和主放大输出电路五个部分。
2 心电信号的产生及特征
&&& 心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏的有节律性的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。
图2.1 正常心电图的波形图 &&&
&&&& 心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组织向各部分传导，由于身体各部分的组织不同；各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这些电位变化可通过导线送至记录装置即心电图机记录下来，形成动态曲线，这就是所谓心电图(electrocardiogram，ECG)，也称为体表心电图。正常的人体心电图可以反映心脏激动电位的变化，是由一系列重复出现的下列各波、段和间期组成。
2.1 心电信号的特点
&&& （1）微弱性：从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有0.05mV～5mV。
&&& （2）不稳定性：人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。
&& （3）低频特性：人体心电信号的频谱范围主要集中在0.05～100Hz，分布的带宽范围有限，其频率是比较低的。
&& （4）随机性：人体心电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由于人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性。
2.2 心电信号的常见噪声
&&& 心电信号具有微弱、低频、和高阻抗等特性，极其容易受到干扰，所以分析干扰的来源，以便采取相应的滤除措施，是数据采集重点考虑的一个问题。常见干扰有如下几种：
&&& （1）工频干扰。由于供电网络无所不在，因此50Hz的工频干扰是最普遍的，也是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的电容性耦合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没有用的心电信号。
&&& （2）呼吸引起的基线漂移和ECG（心电信号）幅度改变。呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分(正弦曲线)。这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信号的幅值的变化可以达到15％。基线漂移的频率约是从0.1Hz一0.3Hz。
&& （3）高频电磁场干扰。随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、电视发射台、通讯设备、雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。这些高频电磁干扰也可通过测量系统与人体连接的导线引入，可能引起测量结果的不稳定，严重时会使测量系统不能工作。
&& （4）电极极化干扰。心电的获取是通过在人体体表放置电极来进行的。与电极接触的是电解质溶液(导电膏、汗液或组织液等)，从而会构成一个金属&电解质溶液界面，因电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称之为极化电压。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间。当两电极状态不能保持对称时，极化电压就会产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良以致脱落的情况下更为严重。
&& （5）肌电干扰。兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下，肌肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变化的曲线即为肌电图。肌电通常是一种快速的电变化，其频率范围为20&5000Hz。
&& （6）测量设备本身的干扰。信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声。这类干扰一般具有较高的频率特性，容易通过低通滤波加以滤除。
3 心电信号采集电路设计要求
&&& 设计一个用于心电监护仪的心电放大器，心电信号的幅度范围为0.01 mV～5mV，放大器的供电电压为&5V，要求放大器与后续计算机系统中的A/D转换器相连接，A/D转换器的输入电压范围为0～5V。
主要技术指标：
（1）输入阻抗：&5M&O
（2）输入偏置电流：&2nA
（3）等效输入噪声：&30uVpp
（4）共模抑制比：50Hz正弦信号的共模抑制比&90dB
（5）耐极化电压：&300mV
（6）漏电流：&30uA
（7）频带：0.05～100Hz
具体要求：
（1）设计放大器电路；
（2）计算电路中个元器件的参数值；
（3）具体选择电路中所用元器件的型号，并对选择的关键元器件说明其选择理由。
4 心电信号采集电路设计
4.1系统框图的设计
本电路设计主要由五部分组成：前置放大电路，高通滤波电路、50Hz陷波电路、低通滤波电路和主放大输出电路。系统框图如下图所示：
图4.1 心电放大器系统框图
从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰，可通过相关的信号调整电路对其进行处理。现分别对各单元电路设计如下：
4.2 前置放大电路
前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。除了要求精度高稳定之外，根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：
（1）高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k&O，则放大器的输入阻抗应大于1M&O。
（2）高共模抑制比（CMRR）。人体所携带的工频干扰以及所测量的信号以外的生理信号的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，以减少共模干扰的传递。
（3）低噪声、低漂移。主要作用是对源信号的影响小，拾取信号的能力强，能够防止输出饱和、使输出稳定。
（4）高增益:心电信号的幅度范围为0.5～5mV，频响：0.05～100Hz，属于微弱信号，因而需要的放大器增益较高。
本次实验设计的前置放大电路如下图所示
图4.2 前置放大电路图
&&& 根据系统设计要求采用高精度仪用放大器AD620,。AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1&1000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运放构成的仪表放大器设计,电源范围宽(&2.3V--&18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1.3mA)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。
图4.3& AD620芯片引脚图
所以设计出的前置级放大倍数为：
&&&& 人体接地是造成触电事故的一个重要原因，因此取消人体接地是最根安全用电措施。人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取少共模信号的应急措施。测量心电图时，如果病人右脚不接地，由于杂散分布电容的影响，病人身上将会产生很高的共模电压。因此，最理想的方法是设计出一种既能减少共模干扰又能取消人体接地的电路。右腿驱动的工作原理是将由人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本上抑制共模电压。
右腿驱动电路
图4.4 加右腿驱动的前置放大电路图
4.3 高通滤波电路
由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本装置中，在两级放大器之间采用RC耦合电路，即时间常数电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。我们取时间常数约为3.2s，这样可确定电阻、电容值，在两级之间组成高通滤波器。可得转折频率为：
本设计采用的高通滤波电路为二阶压控电源型高通滤波器拓扑结构，其电路图如下图所示：
图4.5 高通滤波器电路图
4.4 50Hz陷波电路
心电信号由于频率低、信号小、因此50Hz的工频干扰特别严重。工频干扰信号通过周围仪器设备以及人体内的分布电容混淆在心电信号之中，影响测量效果。为了去除人体或者测量系统中的工频50Hz干扰，需要用带阻滤波器（即陷波器）予以抑制。
由前面前置放大器的设计可知，本系统通过右腿电路和放大器AD620自身的特性，实现了对心电信号中的共模干扰较好抑制，但还是有部分50Hz工频干扰顺利通过了前置放大器，仍保留在了心电信号中。由于50Hz工频干扰是心电信号中的主要干扰，并且它的频率正好处在0.05～100Hz的频带范围之内，再加上其它的不稳定因素，剩余的工频干扰信号还比较强，因此，必须设计相应的电路将它们滤除。所以，为了将心电信号频带范围之内的50Hz工频干扰信号滤除，同时保证其它信号毫无衰减地通过，在本系统中必须设计一个陷波器（即带阻滤波器），它负责完成抑制50Hz工频干扰信号，而让其他频率通过。经过研究比较，采用的是二阶压控电压源带阻滤波器（巴特沃斯响应），其具体电路如下所示：
图4.6 50Hz陷波电路图
4.5 主放大电路
由于心电信号的幅度很小，一般只有１mv左右，而系统进行模数转换的芯片的电压输入范围是0～5V，因此，仅仅靠前置放大电路所实现的10倍放大还远远不够，还需要增加一级主放大电路来提高整个心电放大电路的增益。由于前置放大器已经完成对心电信号的10倍放大，公式为：
因此，该电路还需要一个100放大的主放大电路，最终实现心电信号的1000倍放大，将1mv信号放大成1V的转换要求。所设计的主放大电路如下图所示：
图4.7 主放大电路图
4.6 低通滤波电路
由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz高频谐波的严重干扰，有必要进行低通滤波电路的设计。本设计采用的低通滤波电路为二阶压控电源型低通滤波器拓扑结构，其电路图如下图所示：
图4.8 低通滤波器电路图
根据传递函数得该电路的截止频率与品质因数表达式分别为：
5 Multisim电路仿真结果
5.1 前置放大电路仿真
输入：幅值为2mv,频率为80Hz的正弦波
图5.1 前置电路仿真输入输出结果图
从图中我们可以看出放大倍数约为10倍，仿真结果与理论计算差不多。
5.2 高通滤波电路仿真
输入：幅值为20mv,频率为80Hz的正弦波
转折频率大概0.05Hz
图5.2a高通滤波电路仿真波特图
图5.2b高通滤波电路仿真输入输出图
从仿真结果可以看到高通滤波器对80Hz的正弦波无减少
5.3 50Hz陷波电路仿真
输入：幅值为10mv,频率为50Hz的正弦波，波特图如下图所示：
能有效减少50Hz工频干扰
图5.3a 50Hz陷波电路仿真波特图
输出信号幅值
输入信号幅值
图5.3b 50Hz陷波电路仿真输入输出图
从仿真结果可以看出对50Hz的正弦波信号有较好的抑制作用，符合设计要求。
5.4 主放大输出电路仿真
输入：幅值为10mv,频率为50Hz的正弦波,输出波形如下图所示：
输出信号的幅值
输入信号的幅值
图5.4 主放大电路仿真输入输出图
从仿真结果可以知道大概放大了100倍，与理论设计相符合。
5.5 低通滤波电路仿真
转折频率大概在100Hz
图5.5低通滤波电路仿真
5.6 总体电路仿真
输入80Hz，2mV的正弦波信号，输出波形和波特图如下图所示：
图5.6a 总体电路波特图
最初输出信号的幅值
最终输出信号的幅值
图5.6b 总电路仿真输入输出图
从总电路仿真可以看出输入2mv,输出2V.,放大了1000倍左右，符合设计要求。
6 硬件电路的调试和测量
6.1电路焊接
当电路设计好后，准备进行电路的焊接。
（1）准备器件：准备好焊接时所需要的器材，理好要焊接的器件，分类放好；
（2）在用烙铁前检查烙铁是否接地良好，把烙铁头用海绵洗干净镀上锡。焊接时温度不要过高，时间不要过久。注意焊点的透渗性，点与点的间距，松香与焊锡膏的配合。
（3）焊接前先对电路进行初步布局，做到心中有数，临时布线会出现很多意想不到的问题。
（4）开始焊接主器件，并且边焊接边测试各个电源与地是否存在短路现象，焊接好一部分（功能模块）后立即进行测试，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完毕；
（5）焊好后必须检查所焊件是否有虚焊，没焊，错焊，短路现象。
6.2 电路调试
（1）目测检查
检查各个元器件是否焊接正确（方向、极性，阻值）。检查每个焊点是否焊好，应无漏焊、虚焊、焊点均匀、光洁、焊锡适量、是否有短路
（2）电路板检查检查（用万用表检查）
对照电路原理图，不插芯片，只是对电阻、电容进行检测，检查、测量各个元器件管脚之间的连接是否正确。（每个芯片，每次上电之前都要进行如下检查）：检查正电源与负电源之间是否短路；检查正电源与地之间是否短路；检查负电源与地之间是否短路；检查运放输出与正电源、负电源、地之间是否短路。
检查无误后，在检查各部分联接正确无误的情况下，插上芯片通电检查，打开电源开关，进行测试。
（3）.这是才是真正调试的开始，调试过程中，会出现很多问题，比如没有信号输出、信号失真等。在实验过程中调试电路的第一件事情就是测试电源，这直接关系到芯片的安全和能否正常使用，待电源正常后再进行下一步测试；电路要一级一级地进行测量，上级接通之后再看下一级。
图6.1 焊接中的电路图
连接好的硬件示意图如下：
图6.2 焊接好的电路图
6.3 电路各个模块的调试
焊好电路后，要进行电路板的调试。首先要对电路的各个模块进行调试，将函数信号发生器产生的信号送入各个模块的输入端，通过检测输出波形，调节滑动变阻器对各个模块的性能进行检测和调试。
（1）AD620模块
当输入1mV，20Hz正弦波信号时，通过示波器可测试出信号经AD620模块后的输出电压大致为9.7mV，可计算出该模块的放大倍数为9.7，比较接近理论值10倍。
（2）高通滤波模块
将AD620模块输出的信号接入高通滤波模块，用示波器测试其输出电压大致为9.7mV，高通滤波器对效果不错。
（3）陷波器模块
在单模块在测试过程中，首先陷波器输入端输入1V，50Hz的正弦波信号，用示波器测试其输出电压大致为36mV, 陷波器效果好。
（4）主放大器模块
主放大器输入端输入10mV，20Hz的正弦波信号，用示波器测试其输出电压大致为960mV，可计算出该模块的放大倍数比较接近理论值100。
（5）低通滤波模块
将主放大输出的信号接入低通滤波模块，用示波器测试其输出电压大致为1V，低通滤波器效果不错。
将调试好的各模块连接起来，输入2mV，20Hz的正弦波信号，检测到的信号波形如下图所示：
图6.3 得到的总体电路的信号波形
6.4 频带的测试
放大器的频带可分别由设计系统中的低通及高通滤波器来确定。用函数信号发生器产生2mV的信号，通过改变输入频率来测得频带范围大概为0.05Hz~100Hz，其中50Hz陷波处，信号幅值为160mV,测量结果如下图所示：
图6.4 下限截止频率大约为0.05Hz
图6.5 上限截止频率大约为100Hz
图6.6 50Hz处陷波
从上图可看出，除去采集过程中由于示波器或其他原器件带来的误差外，该心电采集放大电路的通频带大致符合设计要求，即通频带为：0.05Hz～100Hz。并且还可看出在50Hz附近有明显的衰减。
7 实验结果及分析
7.1 心电测量结果
将两输入端和地线分别通过心电电极和左手、右手还有右腿相连，通过示波器来观察采集到的心电信号如下：
图7.1 测量得到的心电信号波形
图7.2 实验进行中
7.2 心电信号结果分析
（1）高输入阻抗
测试方法：将输出信号接地，电路上电后测量两输入信号之间的阻抗。
测试结果：测得地输入阻抗大约为9.06M，指标要求中，前级放大电路的输入阻抗要大于5M&O，满足实验要求。
（2）共模抑制比
共模抑制比(CMRR)是差动放大电路的主要技术指标。为抑制信号中所携带的共模干扰，生物电放大器的共模抑制比一般要达到60dB到80dB，本设计要求为100dB。由于心电信号大多几种在0-45Hz之间，因为选取其中的一个频率17Hz来对其共模抑制比进行测量。
测试方法：信号输入的两个信号中，一个信号接地，另一个信号接入一个较小的信号（若信号过大，能有可能因为放大以及电源的原因，造成信号失真），测量信号的输出，并计算出差模增益；信号输入的两个信号同时接输入信号（由于信号会被抑制，因此此时应选择较大的输入信号，我选择的为12V），测量信号的输出，并计算出共模增益。共模抑制比（CMRR）定义为放大器的开环差动增益与共模增益之比。
测试结果：
17Hz时，输入信号为12mv，输出信号为12.8V，则差模增益为
17Hz时，输入信号为1v，输出信号为20mV，则共模增益为
共模抑制比（CMRR）定义为放大器的开环差动增益与共模增益之比，即
经检验，实验所测得的共模抑制比为94dB，满足设计要求。
（3）放大倍数
测试方法：测试不同频率时信号的差模输出，输出信号比上输入信号，得其放大倍数。
测试结果：由前面计算可知，该心电放大器放大倍数理论上为1020倍，当输入2mV，20Hz正弦信号经放大后在示波器上显示如下图：
图7.3 输入与输出信号对比图
实际侧得的放大倍数为A=1.82/0.02=910倍。
4）偏置电流
要求所采用的偏置电流：&2nA。TL084CD的偏置电流为30pA，满足偏置电流小于2nA的要求。
5）输入噪声
测试方法：将两输入端短接，然后接地，测量输出端的峰-峰值，所得的信号就是噪声。再根据系统设计电路的放大倍数，即可求得该电路的输入噪声。
通过测量可得，输入短接后，输出信号的峰-峰值为200mV,电路放大倍数为1000倍，因此该输入噪声为0.2uV，满足噪声小于30uVpp的要求。
6）频率响应
测试方法：测电路的不同频率时的输出信号，输入信号幅值为2mV，测试不同频率下的幅值大小。如下表所示：测试结果：
频率（Hz）
频率（Hz）
频率（Hz）
表7.1 实验测得的幅频数值
图7.4 总电路滤波增频特性曲线
由上表数据可以看出滤波器的通频带宽大概为：0.05Hz&100Hz。与理论值差不多。
8 总结与体会
通过这次焊接心电放大器的实验，我学会了关于电路的很多知识，很多东西不只是看就能得来的，必须要亲自动手焊接。而且在实验尤其是调试电路的过程中遇到很多问题，需要耐心和细致的检测，一步一步的调试，在每次开始测量之前，都需要测量电源和地之间、电源与电源之间是否短路之后再插芯片&&实验中会出现很多的问题，这就需要扎实的焊接的基本功和丰富的经验，这都是我以后需要加强的地方。该心电放大器基本实现了技术指标。
通过实际设计心电放大电路，不断地查阅文献和书籍，不仅巩固了基础知识，还从中学到了很多东西，注意到了许多以前没有注意到的问题。对有源滤波器、陷波器等基本的常见的电路的设计有了更深入的理解。同时，经过这次心电信号采集电路的设计，使得我们对心电信号有了一定程度的了解，并掌握了生物电信号采集电路设计的基本原理，对噪声和干扰也有了新的认识。当然最重要的还是学会了对电路参数的测量方法，这在以后的实际电路设计中，都是非常有用的。附录（心电放大器全图）
阅读(...) 评论()我工作有二十年了，985大学毕业，工作几年后又在加拿大数一数二的大学读了研究生，在
倒班班组培训工作开展一年多，培训工作由班组长负责，多数流于形式，只是做培训台账，
查看: 1067|回复: 3
电磁流量计检测的毫伏信号有多大？
阅读权限10
积分帖子主题
微信一键登录，与360万化工人共分享
才可以下载或查看，没有帐号？
各位高手，请问电磁流量计检测的毫伏信号有多大？百毫伏级吗？如果直接取传感器电极输出的毫伏信号，不经
过处理，长距离传输干扰会比较大吧？还请各位高手指点！
阅读权限120
积分帖子主题
既然已经有电磁流量计了，为什么要费那么大事提取毫伏信号呢？工业上之所以采用电流信号，就是因为电压信号，特别是毫伏级电压信号，远距离传输会受到很大局限。
您觉得热电偶信号可远传到多远？这还是直流信号。电磁流量计的感生电位可能是交流电，受到外界干扰的可能性就大多了，因为线路上还存在电感的影响。
您的那个电磁流量计那么奇葩，居然没有电流输出？
阅读权限55
积分帖子主题
阅读权限20
积分帖子主题
电压信号不适合长距离传输，现在仪表基本都是电流输出。
QQ客服：网站事务&&广告宣传&&
联系电话&6&0& 推广投放& &
&(工作日09:00--17:00,其它时间可在线QQ客服咨询)
三百六十万海川人欢迎您的参与 化工技术交流第一社区，共同学习 共同提高!
版权所有 海川网-海川化工论坛
Discuz!---
海川技术研究院(山东)&
&合作伙伴:&天化云&
本站法律顾问 : 辽宁好谋律师事务所 谢晨曦 主任律师
&&&&&&&&&&电容式触摸屏_百度百科
清除历史记录关闭
声明：百科词条人人可编辑，词条创建和修改均免费，绝不存在官方及代理商付费代编，请勿上当受骗。
电容式触摸屏
电容式触摸屏技术是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。
当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个，对于来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。
电容式触摸屏工作原理
电容式触摸屏原理概述
电容屏要实现多点触控，靠的就是增加互电容的电极，简单地说，就是将屏幕分块，在每一个区域里设置一组互电容模块都是独立工作，所以电容屏就可以独立检测到各区域的触控情况，进行处理后，简单地实现多点触控。
电容式触摸屏工作原理
电容技术触摸面板CTP（Capacity Touch Panel）是利用人体的电流感应进行工作的。电容屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层（纳米铟锡），最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。
当用户触摸电容屏时，由于人体，用户手指和工作面形成一个，因为工作面上接有，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。
电容式触摸屏投射式电容面板
投射式电容面板的触控技术投射电容式触摸屏是在两层ITO导电玻璃涂层上蚀刻出不同的ITO导电线路模块。两个模块上蚀刻的图形相互垂直，可以把它们看作是X和Y方向 连续变化的滑条。由于X、Y架构在不同表面，其相交处形成一电容节点。一个滑条可以当成驱动线，另外一个滑条当成是侦测线。当电流经过驱动线中的一条时，如果外界有电容变化的信号，那么就会引起另一层导线上电容节点的变化。侦测电容值的变化可以通过与之相连的电子回路测量得到，再经由A/D控制器转为数字讯号让计算机做运算处理取得（X，Y） 轴位置，进而达到定位的目地。
3M展示60点电容式触摸屏
操作时，控制器先后供电流给驱动线，因而使各节点与导线间形成一特定电场。然后逐列扫描感测线测量其电极间的电容变化量，从而达成多点定位。当手指或触动媒介接近时，控制器迅速测知触控节点与导线间的电容值改变，进而确认触控的位置。这种一根轴通过一套AC 信号来驱动，而穿过触摸屏的响应则通过其它轴上的电极感测出来。使用者们把这称为‘横穿式’感应，也可称为投射式感应。传感器上镀有X，Y轴的ITO图案，当手指触摸触控屏幕表面时，触碰点下方的电容值根据触控点的远近而增加，传感器上连续性的扫描探测到电容值的变化，控制芯片计算出触控点并回报给处理器。
电容式触摸屏元件分类
电容屏原理
电容式触摸屏的类型分为表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏两种。
电容式触摸屏表面式电容触摸屏
常用的是表面式电容触摸屏，它的工作原理简单、价格低廉、设计的电路简单，但难实现多点触控。
电容式触摸屏投射式电容触摸屏
投射式电容触摸屏却具有多指触控的功能。这两种电容式触摸屏都具有透光率高、反应速度快、寿命长等优点，缺点是：随着温度、湿度的变化，电容值会发生变化，导致工作稳定性差，时常会有漂移现象，需要经常校对屏幕，且不可佩戴普通手套进行触摸定位。
投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型，较常见的互电容屏为例，内部由驱动电极与接收电极组成，驱动电极发出低电压投射到接收电极形成稳定的电流，当人体接触到电容屏时，由于人体接地，手指与电容屏就形成一个等效电容，而高频信号可以通过这一等效电容流入地线，这样，接收端所接收的电荷量减小，而当手指越靠近发射端时，电荷减小越明显，最后根据接收端所接收的来确定所触碰的点。
在玻璃表面用ITO制作成横向与纵向电极阵列,这些横向和纵向的电极分别与地构成电容,这个电容就是通常所说的自电容,也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时,手指的电容将会叠加到屏体电容上,使屏体电容量增加。
在触摸检测时,自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列,根据触摸前后电容的变化,分别确定横向坐标和纵向坐标,然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式,相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向,然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标,最后组合成触摸点的坐标。
如果是单点触摸,则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的,组合出的坐标也是唯一的如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向,则在X和Y方向分别有两个投影,则组合出4个坐标。显然,只有两个坐标是真实的,另外两个就是俗称的“鬼点”。因此,自电容屏无法实现真正的多点触摸。
互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极,它与自电容屏的区别在于,两组电极交叉的地方将会形成电容,也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时,影响了触摸点附近两个电极之间的耦合,从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时,横向的电极依次发出激励信号,纵向的所有电极同时接收信号,这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小,即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据,可以计算出每一个触摸点的坐标。因此,屏上即使有多个触摸点,也能计算出每个触摸点的真实坐标。
互电容屏的优点是布线较少,而且能同时识别和区分多个触点之间的差异,自电容屏也可感测多个触点,不过由于信号本身模糊,故不能区分。此外,互电容屏的感应方案还有速度快和功耗低的优势,因为其能同时测量一条驱动线路上的所有节点,所以可减少50%的采集周期数。这种双电极式结构具有自我屏蔽外部噪声的功能,在一定功率级上可提高信号稳定性。
在任何情况下,触摸位置都是通过测量X电极和Y电极之间信号改变量的分配来确定的,随后会使用数学算法处理这些己改变的信号电平,以确定触摸点的XY坐标。
电容式触摸屏结构组成
电容式触摸屏基本结构
电容式触摸屏的基本结构是：基板为一个单层有机玻璃，在有机玻璃的内外表面分别均匀的锻上一层透明导电薄膜，分别在外表面的透明导电薄膜的四个角上锥上一个狭长的电极。其工作原理是：当手指触摸电容式触摸屏时，在工作面接通高频信号，此时手指与触摸屏工作面形成一个耦合电容，这相当于导体，因为工作面上有高频信号，手指触摸时在触摸点吸走一个小电流，这个小电流分别从触摸屏的四个角上的电极流出，流经四个电极的电流与手指到四角的直线距离成比例，控制器通过对四个电流比例的计算，即可得出接触点坐标值。
电容式可以简单地看成是由四层复合屏构成的屏体：最外层是玻璃保护层，接着是导电层，第三层是不导电的玻璃屏，最内的第四层也是导电层。最内导电层是层，起到屏蔽内部电气信号的作用，中间的导电层是整个触控屏的关键部分，四个角或四条边上有直接的引线，负责触控点位置的检测。
其中最上面的覆盖层是钢化玻璃或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PET 的优势在于触摸屏可以做到更薄,另一方面也比现有的塑料和玻璃材质更加便宜。绝缘层是玻璃(0.4～1mm) 、有机薄膜(10～100um)、粘合剂、空气层。其中最重要的一层是氧化铟锡（ITO）层，ITO 的典型厚度 50～100nm, 其方块电阻大约 100～300欧姆范围。ITO 的工艺三维结构对电容式触摸屏的影响很大，它直接关系到触摸屏的 2 个重要电容参数:感应电容(手指与上层 ITO)和寄生电容(上下层 ITO 之间,下层 ITO 与显示屏幕之间)。
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器，同时更高，也能更好地支持多点触控。
电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形
电容式触摸屏
成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成反比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。
由于电容随接触面积、介质的介电的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
电容式触摸屏技术指标
电容屏工作原理
精确度：99%的准确度。
材质：完全防刮玻璃材质（7H），不易受尖物刮伤及磨损，不受常见污染源的影响，如水、火、、、灰尘或油污等。兼具之护眼功能。
灵敏度：小于两的施力即可感应，小于3ms的快速回应。
清晰度：三种表面处理（Polish，Etch，Industrial）可供选择。SMT控制器的MTBF 大于572，600小时（每MILHANDBOOK-217-F1）。
触摸寿命：任何一点可承受大于5，000万次的触摸，一次校正后不飘移。
电容触控技术是利用手指近接电容触控面板时所产生电容变化的触控技术。电容触控有两个重要电容参数，其一是手指和上层感测材质（例如ITO）之间的感应电容，其二是感测材质之间（例如ITO上下层）或感测材质与光学面板之间（例如ITO和LCD）的。
导体与导体之间会产生寄生电容，而当手指导体接近不同电压的感测导体时，也会产生感应电容变化。电容感测效应便是如何在较大的寄生电容值（30 pico Farad；pF）下，侦测到0。1～2个pF单位微小的感应电容变化。电容触控技术较为稳定、可靠度高，藉由人体该身就是一个
电容体的特性，在接触触控面板时所产生的电容变化达到感测触控效果。Atmel市场总监Christopher Ard指出，传感器设计可以是单面ITO图形，用于最低功能性接口，例如单触摸点用于大型虚拟按钮、等应用，不过更常见的实施方案是两层设计（单独的X和Y层），这便需要复杂度更高的性能和精准度。
电容式触摸屏数据处理过程
电容式触摸屏接收到触摸信号之后,将触摸数据转换成电脉冲,传送到触摸屏控制IC进行处理。信号先经过一个低噪声放大器LNA进行放大,然后通过模数转换和解调,最后送到一个DSP进行数据处理。
电容式触摸屏一般有M+N(M列N行)个物理电容触摸传感器。这M+N个相互交错的传感器组成了M*N个电容感应点,当用户的手指接近触摸屏的时候,其电容会随之改变。传感器的间隔(也就是相邻行或列间的距离)通常在几个毫米左右,这个间隔距离决定了触摸屏的物理分辨率M*N。
电容式触摸屏模块和LCD模块间的坐标系是完全不同的。LCD模块的像素坐标一般由它的分辨率决定,比如,一块WVGA的屏,它的分辨率为800*480,也就是说有800行,每行480个RGB像素。从而,一个具体位置可以由X和Y方向上像素点(x,y)来确定。而电容式触摸屏模块则是根据其X和Y的方向上的原始物理尺寸来确定坐标系的。两坐标系间必须存在一个合理的映射方法,才可以保证输入和输出操作的正确性。
所以,触摸屏控制IC的DSP处理器还得对得到的数据进行电容式触摸屏模块和LCD模块间的像素映射转换,从而确保在触摸屏上感应到用户的触摸点就是用户所指的点。
另外,为了保持触摸坐标的稳定,触摸屏控制IC需要进一步处理触摸点的抖动,包括手指的抖动与电容数据的噪声,并根据坐标的变化来改变低通滤波器的滤波系数,实现对坐标的平滑处理。
最后,在把数据传到主机之前,还得使用软件分析数据,确定每次触摸是为了使用什么功能。这一过程包含确定屏幕上被触摸的区域大小、形状和位置。如果有必要,处理器会将相似的触摸整理分组。如果用户移动手指,处理器就会计算用户触摸的起点和终点间的差别。
电容式触摸屏优缺点
电容式触摸屏优点
电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。
电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而技术需要常规的校正。
电容方案的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。中，上层的ITO薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO薄膜。
电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。
选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰萤幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要，不管是塑胶还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。
表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且相成该也较低，但时下无法支持手势识别：感应电容式主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。
电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可被进一步降低。
电容式触摸屏就是可以支持多点触控技术，而且不像电阻式触摸屏反应迟钝并且不易磨损。
电容式触摸屏缺点
电容触摸屏的透光率和优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。
电流：电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹层ITO工作面之间出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。
电容值虽然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。
漂移：电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。例如：开机后显示器温度上升会造成漂移：用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移；电容触摸屏附近较大的物体搬移后会漂移，使用者触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移；电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足，环境电势面（包括用户的身体）虽然与电容触摸屏离得较远，却比手指头面积大的多，他们直接影响了触摸位置的测定。
其他：此外，理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，如：体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系，电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且，4个完成后，由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容屏的漂移是累积的，在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层， 电容屏就不能正常工作了。
电容式触摸屏注意事项与常见问题
1、如果使用者使用的是电容式触摸屏，那么建议使用者在第一次使用时，首先先按照相关说明书的要求正确安装好电容触摸屏所需要的，然后用手指依次单击屏幕上的“开始”/“程序”/“Microtouch Touchware”来运行屏幕校准程序，校准完成以后，系统自动将校准后的数据存放在控制器的寄存器内，以后再重新启动系统后就无需再校准屏幕了。
2、如果在中途操作电容触摸屏时，重新改变了触摸屏的显示器分辨率或显示模式，或者是自行调整了触摸屏控制器的刷新频率后，感觉到光标与触摸点不能对应时，都必须重新对触摸屏系统进行校准操作。
3、为了保证触摸屏系统的正常工作，除了要保证的正确安装之外，还必须记得在一台主机上不要安装两种或两种以上的触摸屏驱动程序，这样会容易导致系统运行时发生冲突，从而使触摸屏系统无法正常使用。
4、在使用电阻式触摸屏时，如果发现光标不动或者只能在局部区域移动时，使用者可以查看一下触摸屏的触摸区域是否被其他触摸物始终压住，例如一旦触摸屏被显示器外壳或机柜外壳压住了，就相当于某一点一直被触摸，那么反馈给控制器的坐标位置就不准确。
5、前面曾经提到，一旦系统在更换显示分辨率、调整屏幕大小和第一次安装时都有会出现单击不准或漂移，需启动应用程序中自带的定位程序重新定位，不过在定位时，最好要使用比较细的笔或指尖进行定位，这样比较准。
6、表面声波触摸屏的工作环境要求较高，它必须要求工作在一个干净、没有灰尘污染的环境中，而且还要定期清洁触摸屏表面上的灰尘，不然的话，空气中的灰尘覆盖在触摸屏四周的反射条纹或换能器上时，就会影响系统的正确定位。
7、不要让触摸屏表面有水滴或其它软的东西粘在表面，否则触摸屏很容易错误认为有手触摸造成表面声波屏不准。另外在清除触摸屏表面上的污物时，使用者可以用柔软的干布或者清洁剂小心地从屏幕中心向外擦拭，或者用一块干的软布蘸工业酒精或玻璃清洗液清洁触摸屏表面。
8、如果用手或者其他触摸物来触摸表面声波触摸屏时，触摸屏反应很迟钝，这说明很有可能是触摸屏系统已经陈旧，内部时钟频率太低，或者是由于触摸屏表面有水珠在移动，要想让触摸屏恢复快速响应，必须重新更换或者升级系统，或者用抹布擦干触摸屏表面的水珠。
9、触摸屏一般用进行信号的传输，从端口取信号，而TPS屏幕是从主机电源直接取电。如果指示灯不亮，说明没有取到信号，控制盒上的PS/2线可能坏了。如果灯亮着，但依旧不闪，说明控制盒坏了，因此使用者们必须更换控制盒。如果更换控制盒还是不行，有可能是屏幕被压得太紧，需要将四周的螺丝稍微松一下，因为触摸屏是由特殊材料组成，它该身不太容易损坏。如果串口是坏的或被禁用，将导致驱动程序无法安装，因为安装驱动时，会自动寻找串口。即使能够安装，也会出现鼠标不动或无法定位。最好不要用串口鼠标来判断串口的好坏，可能串口9根针对它们来说各自用的方式不一样。如果屏幕被压着，或者地线没有接好，会导致无法定位。如果出现有些区域无法点击或反应迟缓，有可能是灰尘影响，需拆开外壳来除去灰尘。
10、当用手指触摸电容触摸屏的某一位置时，触摸屏没有任何反应时，这很有可能是对应该触摸位不准确，光标当然也就不能正确定位了。如果是机柜外壳压住触摸区域使用者可以将机柜和显示器屏幕之间的距离调大一点，如果是显示器外壳压住触摸区域，使用者可以试着将显示器外壳的螺丝拧松一点试一下。
．天新网[引用日期]
．天极网[引用日期]
．红外线供应网．[引用日期]
．新浪网[引用日期]
胡思捷 ．基于Android平台的触摸屏系统设计及实现 ：南开大学 ，2011
．电子技术资料网站．[引用日期]
朱莉 ．高可靠电阻式触摸屏的研究与实现 ：东南大学，2015
敖强 ．一种电阻式触摸屏驱动芯片的设计研究 ：辽宁大学， 2012
．重庆北部新区（重庆北部新区管理委员会）[引用日期]
．广电电器网[引用日期]
．物友网[引用日期]
．电子发烧友网 [引用日期]
．中国测控网[引用日期]
．维库电子通 [引用日期]
中国电子学会（Chinese Instit...
提供资源类型：内容
清除历史记录关闭}