RENESAS RA2E1 电容式传感器 MCU 用户指南

内容隐藏

1 RENESAS RA2E1 电容式传感器 MCU

2 超过view

3 CTSU 噪音对策功能

4 硬件噪声对策

5 软件过滤器

6 处理微处理单元和微控制器单元产品的一般注意事项

7 文件/资源

7.1 参考

RENESAS RA2E1 电容式传感器 MCU

电容式传感器 MCU
电容式触摸噪声免疫指南

介绍
瑞萨电容式触摸传感器单元 (CTSU) 容易受到周围环境噪声的影响，因为它可以检测到由不需要的杂散电信号（噪声）产生的电容的微小变化。这种噪声的影响可能取决于硬件设计。因此，在设计时采取对策tag从而实现能够抵御环境噪声的 CTSU MCU 和有效的产品开发。本应用说明介绍了如何根据 IEC 的抗噪声标准 (IEC61000-4) 提高使用瑞萨电容式触摸传感器单元 (CTSU) 的产品的抗噪声能力。

目标设备
RX 系列、RA 系列、RL78 系列 MCU 和嵌入 CTSU 的 Renesas Synergy™（CTSU、CTSU2、CTSU2L、CTSU2La、CTSU2SL）

本应用说明涵盖的标准

IEC-61000-4-3
IEC-61000-4-6

超过view

CTSU 测量触摸电极时电荷产生的静电量。如果测量过程中触摸电极的电位由于噪声而发生变化，则充电电流也会发生变化，从而影响测量值。具体而言，测量值的大幅波动可能会超过触摸阈值，导致设备发生故障。测量值的微小波动可能会影响需要线性测量的应用。在考虑 CTSU 电容式触摸系统的抗噪性时，了解 CTSU 电容式触摸检测行为和电路板设计至关重要。我们建议首次使用 CTSU 的用户通过研究以下相关文档来熟悉 CTSU 和电容式触摸原理。

有关电容式触摸检测和 CTSU 的基本信息

电容式传感器 MCU 的电容式触摸用户指南 (R30AN0424)
有关硬件板设计的信息
电容式传感器微控制器 - CTSU 电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389)

有关 CTSU 驱动程序（CTSU 模块）软件的信息
类风湿关节炎家族瑞萨灵活软件包 (FSP) 用户手册 (Web 版本 – HTML)
API 参考 > 模块 > CapTouch > CTSU (r_ctsu)
RL78系列CTSU模块软件集成系统（R11AN0484）
RX 系列 QE CTSU 模块固件集成技术 (R01AN4469)
有关触摸中间件（TOUCH 模块）软件的信息
类风湿关节炎家族瑞萨灵活软件包 (FSP) 用户手册 (Web 版本 – HTML)
API 参考 > 模块 > CapTouch > 触摸（rm_touch）
RL78系列TOUCH模块软件集成系统（R11AN0485）
RX系列QE触摸模块固件集成技术（R01AN4470）

有关电容式触摸 QE（电容式触摸应用开发支持工具）的信息
使用 QE 和 FSP 开发电容式触摸应用 (R01AN4934)
使用 QE 和 FIT 开发电容式触摸应用 (R01AN4516)
RL78 系列使用 QE 和 SIS 开发电容式触摸应用 (R01AN5512)
RL78 系列使用独立版 QE 开发电容式触摸应用 (R01AN6574)

噪声类型及对策

电磁兼容标准
表 2-1 列出了 EMC 标准。噪声可以通过气隙和连接电缆渗入系统，从而影响操作。此列表介绍了 IEC 61000 标准。amp文件描述了开发人员必须注意的噪声类型，以确保使用 CTSU 的系统正常运行。有关更多详细信息，请参阅最新版本的 IEC 61000。

表 2-1 EMC 测试标准（IEC 61000）

测试描述	超过view	标准
辐射抗扰度测试	测试对相对高频射频噪声的免疫力	IEC61000-4-3
传导抗扰度测试	测试对相对低频射频噪声的免疫力	IEC61000-4-6
静电放电测试（ESD）	静电放电抗扰度测试	IEC61000-4-2
电快速瞬变/突发测试 (EFT/B)	测试对电源线等引入的连续脉冲瞬态响应的抗扰度。	IEC61000-4-4

表 2-2 列出了抗扰度测试的性能标准。EMC 抗扰度测试规定了性能标准，并根据测试期间设备 (EUT) 的运行情况判断结果。每个标准的性能标准都相同。

表 2-2 抗扰度测试的性能标准

性能标准	描述
A	设备在测试期间和测试后应继续按预期运行。当设备按预期使用时，性能下降或功能损失不得低于制造商指定的性能水平。
B	设备在测试期间和测试后应继续按预期运行。当设备按预期使用时，不允许性能下降或功能丧失低于制造商指定的性能水平。但在测试期间，允许性能下降。不允许更改实际操作状态或存储数据。
C	允许暂时失去功能，只要该功能可自行恢复或可通过控制操作恢复。

射频噪声对策

RF 噪声是指电视和无线电广播、移动设备和其他电子设备使用的无线电频率的电磁波。RF 噪声可能直接渗入 PCB，也可能通过电源线和其他连接电缆进入。对于前者，必须在电路板上实施噪声对策；对于后者，必须在系统级实施噪声对策，例如通过电源线。CTSU 通过将电容转换为电信号来测量电容。由于触摸引起的电容变化非常小，因此为了确保正常的触摸检测，必须保护传感器引脚和传感器本身的电源免受 RF 噪声的影响。有两种具有不同测试频率的测试可用于测试 RF 抗扰度：IEC 61000-4-3 和 IEC 61000-4-6。

IEC61000-4-3 是一种辐射抗扰度测试，用于通过将射频电磁场的信号直接施加到 EUT 来评估抗扰度。RF 电磁场的范围为 80MHz 至 1GHz 或更高，转换为波长约为 3.7m 至 30cm。由于此波长和 PCB 的长度相似，因此图案可能充当天线，对 CTSU 测量结果产生不利影响。此外，如果每个触摸电极的布线长度或寄生电容不同，则受影响的频率可能因每个终端而异。有关辐射抗扰度测试的详细信息，请参阅表 2-3。

表 2-3 辐射抗扰度测试

频率范围	测试级别	测试场强
80MHz至1GHz 最高可达 2.7GHz 或 6.0GHz，取决于测试版本	1	1伏/米
	2	3伏/米
	3	10伏/米
	4	30伏/米
	X	单独指定

IEC 61000-4-6 是传导抗扰度测试，用于评估 150kHz 至 80MHz 之间的频率，该范围低于辐射抗扰度测试。该频段的波长为几米或更长，150 kHz 的波长达到约 2 公里。由于难以将这种长度的 RF 电磁场直接施加到 EUT 上，因此将测试信号施加到直接连接到 EUT 的电缆上，以评估低频波的影响。较短的波长主要影响电源和信号电缆。例如amp例如，如果某个频带产生的噪声影响了电源线和电源电压tag不稳定时，CTSU 测量结果可能会受到所有引脚上的噪声的影响。表 2-4 提供了传导抗扰度测试的详细信息。

表 2-4 传导抗扰度测试

频率范围	测试级别	测试场强
150kHz-80MHz的	1	1 伏有效值
	2	3 伏有效值
	3	10 伏有效值
	X	单独指定

在交流电源设计中，系统 GND 或 MCU VSS 端子未连接到商用电源接地端子，传导噪声可能会以共模噪声的形式直接进入电路板，从而导致触摸按钮时 CTSU 测量结果中出现噪声。

图 2-1 显示了共模噪声的进入路径，图 2-2 显示了共模噪声与测量电流之间的关系。从电路板 GND（B-GND）的角度来看，共模噪声似乎会随着噪声叠加在接地 GND（E-GND）上而波动。此外，由于触摸触摸电极（PAD）的手指（人体）会因杂散电容而耦合到 E-GND，因此共模噪声会传输并似乎以与 E-GND 相同的方式波动。如果此时触摸 PAD，共模噪声产生的噪声（VNOISE）会施加到手指和 PAD 形成的电容 Cf 上，导致 CTSU 测量的充电电流波动。充电电流的变化表现为叠加了噪声的数字值。如果共模噪声包括与 CTSU 的驱动脉冲频率及其谐波相匹配的频率成分，则测量结果可能会大幅波动。表 2-5 列出了提高 RF 噪声抗扰度所需的对策。大多数对策对于提高辐射抗扰度和传导抗扰度都适用。请参阅每个开发步骤中列出的相应章节的部分。

表 2-5 提高 RF 噪声免疫力所需对策列表

开发步骤	设计时需要采取的对策	对应章节
MCU选择（CTSU功能选择）	当抗噪能力是优先考虑因素时，建议使用嵌入 CTSU2 的 MCU。 · 启用CTSU2抗噪声对策功能： ¾ 多频测量 ¾ 主动护盾 ¾ 使用有源屏蔽时设置为非测量通道输出 Or · 启用CTSU抗噪声对策功能： ¾ 随机相移函数 ¾ 高频降噪功能	3.3.1 多频测量 3.3.2 主动护盾 3.3.3 非测量通道输出选择 3.2.1 随机相移函数 3.2.2 高频噪声减少函数（传播光谱函数
硬件设计	· 使用推荐的电极图案进行电路板设计 · 使用低噪声输出的电源 · GND 模式设计建议：在接地系统中使用用于共模噪声对策的部件 · 通过调整 d 来降低传感器引脚处的噪声渗透水平amp电阻值。 · 地点 damp通信线路上的电阻 · 在 MCU 电源线上设计和放置合适的电容	4.1.1 触摸电极图案设计 4.1.2.1 卷tag电子供应设计 4.1.2.2 GND 图案设计 4.3.1 共模滤波器 4.3.4 GND 注意事项屏蔽与电极距离 4.2.1 TS 引脚 Damp英反抗 4.2.2 数字信号噪声 4.3.4 GND 注意事项屏蔽与电极距离
软件实现	调整软件滤波器以减少噪声对测量值的影响 · IIR移动平均（对大多数随机噪声情况有效） · FIR 移动平均（针对指定的周期性噪声）	5.1 IIR 滤波器 5.2 FIR滤波器

ESD 噪声（静电放电）

静电放电 (ESD) 是在两个带电物体接触或靠近时产生的。人体内积累的静电甚至可以通过覆盖层到达设备上的电极。根据施加到电极上的静电能量的大小，CTSU 测量结果可能会受到影响，从而导致设备本身损坏。因此，必须在系统级引入对策，例如在电路板、电路板覆盖层和设备的保护外壳上安装保护装置。IEC 61000-4-2 标准用于测试 ESD 抗扰度。表 2-6 提供了 ESD 测试详细信息。产品的目标应用和属性将决定所需的测试级别。有关更多详细信息，请参阅 IEC 61000-4-2 标准。当 ESD 到达触摸电极时，它会瞬间产生几 kV 的电位差。这可能会导致 CTSU 测量值中出现脉冲噪声，降低测量精度，或者可能由于检测到过压而停止测量tage 或过电流。请注意，半导体器件的设计不能承受直接施加的 ESD。因此，ESD 测试应在成品上进行，电路板应受到器件外壳的保护。电路板本身引入的对策是故障安全措施，用于在 ESD 确实因某种原因进入电路板的罕见情况下保护电路。

表 2-6 ESD 测试

测试级别	测试卷tage
测试级别	接触放电	空气放电
1	2千伏	2千伏
2	4千伏	4千伏
3	6千伏	8千伏
4	8千伏	15千伏
X	单独指定	单独指定

EFT 噪声（电快速瞬变）
电气产品会产生一种称为电快速瞬变 (EFT) 的现象，例如由于电源的内部配置而接通电源时产生的反电动势或继电器开关上的颤动噪声。在以某种方式连接多个电气产品的环境中，例如在配电盘上，这种噪声可能会通过电源线传播并影响其他设备的运行。即使未插入共用配电盘的电气产品的电源线和信号线，也可能仅仅因为靠近噪声源的电源线或信号线而通过空气受到影响。IEC 61000-4-4 标准用于测试 EFT 抗扰度。IEC 61000-4-4 通过将周期性 EFT 信号注入 EUT 电源线和信号线来评估抗扰度。EFT 噪声会在 CTSU 测量结果中产生周期性脉冲，这可能会降低结果的准确性或导致误触摸检测。表 2-7 提供了 EFT/B（电快速瞬变脉冲群）测试详细信息。

表 2-7 EFT/B 测试

测试级别	开路测试卷tage（峰值）		脉冲重复频率（PRF）
测试级别	电源线路/地线	信号/控制线	脉冲重复频率（PRF）
1	0.5千伏	0.25千伏	5kHz 或 100kHz
2	1千伏	0.5千伏
3	2千伏	1千伏
4	4千伏	2千伏
X	单独指定		单独指定

CTSU 噪音对策功能

CTSU 配备了噪声对策功能，但各功能的可用性会根据所使用的 MCU 和 CTSU 的版本而有所不同。在开发新产品之前，请务必确认 MCU 和 CTSU 的版本。本章介绍每个 CTSU 版本之间的噪声对策功能的差异。

噪声的测量原理和影响
CTSU 在每个测量周期内重复多次充电和放电。每次充电或放电电流的测量结果都会累积起来，最终的测量结果会存储在寄存器中。在这种方法中，可以通过增加驱动脉冲频率来增加单位时间内的测量次数，从而提高动态范围 (DR) 并实现高灵敏度的 CTSU 测量。另一方面，外部噪声会导致充电或放电电流发生变化。在产生周期性噪声的环境中，由于一个方向上的电流量增加或减少，存储在传感器计数器寄存器中的测量结果会发生偏移。这种与噪声相关的影响最终会降低测量精度。图 3-1 显示了由于周期性噪声导致的充电电流误差图像。构成周期性噪声的频率是与传感器驱动脉冲频率及其谐波噪声相匹配的频率。当周期性噪声的上升沿或下降沿与 SW1 ON 周期同步时，测量误差会更大。CTSU 配备了硬件级噪声对策功能，以防范这种周期性噪声。

CTSU1
CTSU1 配备随机移相功能和高频降噪功能（扩频功能）。当传感器驱动脉冲频率和噪声频率的基波谐波匹配时，可以降低对测量值的影响。传感器驱动脉冲频率的最大设定值为 4.0MHz。

随机相移函数
图 3-2 显示了使用随机相移功能消除噪声的图像。通过以随机时间将传感器驱动脉冲的相位改变 180 度，可以随机化和平滑由于周期性噪声导致的电流单向增加/减少，以提高测量精度。此功能在 CTSU 模块和 TOUCH 模块中始终启用。

高频降噪功能（扩频功能）
高频降噪功能通过故意添加抖动来测量传感器驱动脉冲频率。然后，它使用同步噪声随机化同步点，以分散测量误差的峰值并提高测量精度。此功能始终在 CTSU 模块输出和 TOUCH 模块输出中通过代码生成启用。

CTSU2

多频测量
多频测量使用频率不同的多个传感器驱动脉冲频率。不使用扩频以避免每个驱动脉冲频率受到干扰。此功能可提高对传导和辐射射频噪声的免疫力，因为它对传感器驱动脉冲频率上的同步噪声以及通过触摸电极图案引入的噪声有效。图 3-3 显示了多频测量中测量值的选择方式，图 3-4 显示了在同一测量方法中分离噪声频率的方式。多频测量会从在多个频率下进行的一组测量中丢弃受噪声影响的测量结果，以提高测量精度。

在包含 CTSU 驱动程序和 TOUCH 中间件模块的应用项目中（请参阅 FSP、FIT 或 SIS 文档），在执行“电容式触摸 QE”调试阶段时，会自动生成多频测量参数，并可以使用多频测量。通过在调试阶段启用高级设置，可以手动设置参数。有关高级模式多时钟测量设置的详细信息，请参阅电容式触摸高级模式参数指南（R30AN0428EJ0100）图 3-5 显示了一个例子amp多频测量中干扰频率的影响。本例amp图 1 显示了当测量频率设置为 12.5MHz 且触摸电极时将共模传导噪声施加到电路板时出现的干扰频率。图 (a) 显示了自动调谐后立即进行的设置；测量频率设置为第 2 个频率 12.5MHz 的基础上第 3 个频率 +1% 和第 1 个频率 -XNUMX%。该图证实了每个测量频率都会受到噪声干扰。图 (b) 显示了示例amp手动调整测量频率的范例，测量频率设定为以第 20.3 频率 2MHz 为基准，第 9.4 频率为 -3%，第 1 频率为 +1%。若测量结果出现特定频率噪声，且噪声频率与测量频率相符，请务必在评估实际环境的同时调整多频测量，避免噪声频率与测量频率之间产生干扰。

主动护盾
在 CTSU2 自电容方法中，可以使用有源屏蔽来以与传感器驱动脉冲相同的脉冲相位驱动屏蔽图案。要启用有源屏蔽，请在电容式触摸接口配置的 QE 中，将连接到有源屏蔽图案的引脚设置为“屏蔽引脚”。有源屏蔽可以为每个触摸接口配置（方法）设置为一个引脚。有关有源屏蔽操作的说明，请参阅“电容式传感器 MCU 的电容式触摸用户指南 (R30AN0424)”。有关 PCB 设计信息，请参阅“CTSU 电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389)“。

非测量通道输出选择
CTSU2 自电容法中，可以将与传感器驱动脉冲同相的脉冲输出设置为非测量通道输出。在 QE for Capacitive Touch 接口配置（方法）中，对于分配有主动屏蔽的方法，非测量通道（触摸电极）自动设置为同相脉冲输出。

硬件噪声对策

典型的噪声对策

触摸电极图案设计
触摸电极电路对噪声非常敏感，需要在硬件设计时考虑抗噪能力。tage. 有关解决抗噪声问题的详细电路板设计规则，请参阅最新版本的 CTSU 电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389)图 4-1 摘录了指南中的一段内容，展示了view 自电容法图案设计如图 4-2 所示，互电容法图案设计如图 XNUMX-XNUMX 所示。

电极形状：方形或圆形
电极尺寸：10mm至15mm
电极接近度：电极应放置在 amp距离，以便它们不会同时对目标人机界面做出反应（本文中称为“手指”）；建议间隔：按钮大小 x 0.8 或更大

导线宽度：印刷电路板约 0.15mm 至 0.20mm
布线长度：布线尽量短。拐角处应呈 45 度角，而不是直角。
配线间距：（A）尽量留出较大的间距，防止相邻电极误检测。（B）间距1.27mm

交叉网格 GND 图案宽度：5mm
交叉阴影线 GND 图案和按钮/布线间距 (A) 电极周围区域：5mm (B) 布线周围区域：电极区域以及布线和具有交叉阴影线图案的相反表面的间距为 3mm 或更大。此外，在空白处放置交叉阴影线图案，并通过过孔连接交叉阴影线图案的两个表面。有关交叉阴影线图案尺寸、有源屏蔽（仅限 CTSU2）和其他抗噪声对策，请参阅“2.5 抗噪声布局图案设计”部分。
电极+配线电容：50pF以下

电极+配线电阻：2K0以下（含damp参考值为5600的电阻）

图 4-1 自电容方法的图案设计建议（摘录）

电极形状：方形（组合发射电极TX和接收电极RX）

电极尺寸：10mm 或更大电极接近度：电极应放置在 amp距离，以使它们不会同时对触摸物体（手指等）做出反应，（建议间隔：按钮尺寸 x 0.8 或更大）
- 线宽：可量产的最细线宽，印刷电路板约 0.15mm 至 0.20mm
布线长度：布线尽量短。拐角处应呈 45 度角，而不是直角。

布线间距：
- 使间距尽可能大，以防止相邻电极的错误检测。
- 电极分离时：间距1.27mm
- 20mm以上，以防止Tx和Rx之间产生耦合电容。
交叉影线 GND 图案（屏蔽保护）接近度由于推荐按钮图案中的引脚寄生电容相对较小，因此引脚越靠近 GND，寄生电容就会越大。
- 答：电极周围 4 毫米或更多我们还建议电极之间采用约 2 毫米宽的交叉网格 GND 平面图案。
- B: 配线周围1.27mm以上
Tx、Rx寄生电容：≤20pF
电极+接线电阻：2kΩ以下（含damp参考值为5600的电阻）

请勿将 GND 图案直接置于电极或布线下方。有源屏蔽功能不能用于互电容方式。

图 4-2 互电容法图案设计建议（摘录）

电源设计
CTSU 是处理微小电信号的模拟外设模块。当噪声渗入音量时tag向 MCU 或 GND 模式供电时，会导致传感器驱动脉冲电位波动，降低测量精度。强烈建议在电源线或板载电源电路上添加噪声对策设备，以安全地向 MCU 供电。

卷tag电子供应设计
在设计系统或板载设备的电源时，应采取措施防止噪声通过 MCU 电源引脚渗透。以下与设计相关的建议可以帮助防止噪声渗透。

保持系统的电源线和内部接线尽可能短，以最大程度地减少阻抗。
放置并插入噪声滤波器（铁氧体磁芯、铁氧体磁珠等）以阻挡高频噪声。

尽量减少 MCU 电源上的纹波。我们建议在 MCU 的音量上使用线性稳压器tage 电源。选择具有低噪声输出和高 PSRR 特性的线性稳压器。
当电路板上有多个大电流负载的设备时，我们建议为 MCU 插入单独的电源。如果无法做到这一点，请在电源根部分离图案。
当 MCU 引脚上运行具有高电流消耗的设备时，请使用晶体管或 FET。

图 4-3 显示了电源线的几种布局。Vo 是电源电压tage是IC2工作时引起的消耗电流变动，Z是电源线阻抗。Vn是电压tage 是电源线产生的，可以计算为 Vn = in×Z。GND 模式可以以相同的方式考虑。有关 GND 模式的更多详细信息，请参阅 4.1.2.2 GND 模式设计。在配置 (a) 中，到 MCU 的电源线很长，并且 IC2 电源线在 MCU 电源附近分支。不建议使用此配置，因为 MCU 的 voltagIC2工作时，电源易受Vn噪声影响。 (b)和(c) (b)和(c)的电路图与(a)相同，但图案设计不同。 (b)从电源根部分支电源线，通过最小化电源和MCU之间的Z来降低Vn噪声的影响。 (c)也通过增加电源线的表面积和线宽来最小化Z，从而降低Vn的影响。

GND 图案设计
根据图案设计，噪声可能会导致 GND（参考电压）tagMCU 和板载设备的电位波动会导致 CTSU 测量精度降低。以下 GND 图案设计提示将有助于抑制电位波动。

尽可能用实心 GND 图案覆盖空白空间，以最大限度地减少大表面积上的阻抗。
通过增加 MCU 与高电流负载设备之间的距离并将 MCU 与 GND 模式分开，使用可防止噪声通过 GND 线渗入 MCU 的电路板布局。

图 4-4 显示了 GND 线的几种布局。在这种情况下，它是 IC2 工作导致的消耗电流波动，Z 是电源线阻抗。Vn 是电压tage 由 GND 线产生，可计算为 Vn = in×Z。在配置 (a) 中，到 MCU 的 GND 线很长，并与 MCU 的 GND 引脚附近的 IC2 GND 线合并。不建议使用此配置，因为当 IC2 运行时，MCU 的 GND 电位易受 Vn 噪声的影响。在配置 (b) 中，GND 线在电源 GND 引脚的根部合并。可以通过将 MCU 和 IC2 的 GND 线分开以最小化 MCU 和 Z 之间的空间来减少 Vn 的噪声影响。虽然 (c) 和 (a) 的电路图相同，但图案设计不同。配置 (c) 通过增加 GND 线的表面积和线宽来最小化 Z，从而降低了 Vn 的影响。

将 TSCAP 电容的 GND 连接到与 MCU 的 VSS 端子相连的 GND 实心图案，使其与 VSS 端子具有相同的电位。请勿将 TSCAP 电容的 GND 与 MCU 的 GND 分开。如果 TSCAP 电容的 GND 和 MCU 的 GND 之间的阻抗较高，则 TSCAP 电容的高频噪声抑制性能会下降，使其更容易受到电源噪声和外部噪声的影响。

处理未使用的引脚
未使用的引脚处于高阻抗状态会使设备容易受到外部噪声的影响。请确保在参考每个引脚对应的 MCU Faily 硬件手册后处理所有未使用的引脚。如果由于安装区域不足而无法实现下拉电阻，请将引脚输出设置固定为低输出。

辐射射频噪声对策

TS 引脚 Damp阻力
damp连接到TS引脚的电阻和电极的寄生电容成分起着低通滤波器的作用。增加damp增加电阻可降低截止频率，从而降低渗入 TS 引脚的辐射噪声水平。但是，当电容测量充电或放电电流周期延长时，必须降低传感器驱动脉冲频率，这也会降低触摸检测精度。有关更改 d 时的灵敏度的信息amp自电容方式的按键图案及特性数据请参考“5.自电容方式按键图案及特性数据” CTSU 电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389)

数字信号噪声
处理通信的数字信号布线（例如 SPI 和 I2C）以及 LED 和音频输出的 PWM 信号是影响触摸电极电路的辐射噪声源。使用数字信号时，请在设计过程中考虑以下建议tage.

当布线包含直角（90 度）时，最尖锐点的噪声辐射将会增加。确保布线角不超过 45 度，或呈弧形，以减少噪声辐射。

当数字信号电平发生变化时，过冲或下冲会以高频噪声的形式辐射出来。作为对策，插入广告amp通过在数字信号线上插入电阻来抑制过冲或下冲，另一种方法是沿线插入铁氧体磁珠。
布置数字信号线和触摸电极电路时，应确保它们不会接触。如果配置要求线路平行，则应尽可能保持它们之间的距离，并沿着数字线插入 GND 屏蔽。
当 MCU 引脚上运行具有高电流消耗的设备时，请使用晶体管或 FET。

多频测量
使用内置CTSU2的MCU时，请务必使用多频测量功能，具体请参见3.3.1 多频测量。

传导噪声对策
在系统电源设计中，传导噪声抗扰度的考虑比在 MCU 板设计中更重要。首先，设计电源以提供音量tag低噪声，可对安装在电路板上的设备产生影响。有关电源设置的详细信息，请参阅 4.1.2 电源设计。本节介绍与电源相关的噪声对策以及在设计 MCU 电路板时需要考虑的 CTSU 功能，以提高传导噪声抗扰度。

共模滤波器
放置或安装共模滤波器（共模电感器、铁氧体磁芯）以减少从电源线进入电路板的噪声。使用噪声测试检查系统的干扰频率，并选择具有高阻抗的设备以降低目标噪声带。由于安装位置因滤波器类型而异，请参阅相应的项目。请注意，每种类型的滤波器在电路板上的放置位置不同；有关详细信息，请参阅相应的说明。始终考虑滤波器布局，以避免在电路板内辐射噪声。图 4-5 显示了共模滤波器布局示例amp勒。

共模扼流圈
共模电感器用作电路板上的噪声对策，需要在电路板和系统设计阶段将其嵌入。使用共模电感器时，请确保在电源连接到电路板的点之后立即使用尽可能短的接线。例如amp例如，当用连接器连接电源线和电路板时，在电路板侧连接器后面立即放置一个滤波器将阻止通过电缆进入的噪声扩散到整个电路板。

铁氧体磁芯
铁氧体磁芯用于降低通过电缆传导的噪声。当系统组装后噪声成为问题时，引入一个 clamp型铁氧体磁芯可让您在不改变电路板或系统设计的情况下降低噪音。例如amp例如，当用连接器连接电缆和电路板时，在电路板侧的连接器之前放置一个滤波器将最大限度地减少进入电路板的噪音。

电容器布局
通过在 MCU 电源线或端子附近设计和放置去耦电容器和大容量电容器，减少从电源和信号电缆进入电路板的电源噪声和纹波噪声。

去耦电容
去耦电容可以降低电压tag由于 MCU 的电流消耗，VCC 或 VDD 电源引脚与 VSS 之间的电压降会稳定 CTSU 测量值。使用 MCU 用户手册中列出的推荐电容，将电容放置在电源引脚和 VSS 引脚附近。另一种选择是按照目标 MCU 系列的硬件设计指南（如果有）来设计模式。

大容量电容
大容量电容器将平滑 MCU 音量的纹波tag供应源，稳定产量tagMCU 电源引脚和 VSS 之间的电容，从而稳定 CTSU 测量值。电容器的电容会根据电源设计而变化；请确保使用适当的值，以避免产生振荡或音量tag降。

多频测量
CTSU2 的多频测量功能可有效提高传导噪声抗扰度。如果您在开发中关注传导噪声抗扰度，请选择配备 CTSU2 的 MCU 来利用多频测量功能。有关详细信息，请参阅 3.3.1 多频测量。

GND 屏蔽和电极距离的考虑因素
图 1 显示了使用电极屏蔽的传导噪声添加路径抑制噪声的图像。在电极周围放置 GND 屏蔽，并使电极周围的屏蔽更靠近电极，可加强手指和屏蔽之间的电容耦合。噪声分量 (VNOISE) 逃逸到 B-GND，从而减少 CTSU 测量电流的波动。请注意，屏蔽越靠近电极，CP 越大，导致触摸灵敏度降低。更改屏蔽和电极之间的距离后，请在第 5 节中确认灵敏度。自电容方法按钮图案和特性数据 CTSU 电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389).

软件过滤器

触摸检测使用电容测量结果来确定传感器是否被触摸（开启或关闭），使用 CTSU 驱动程序和 TOUCH 模块软件。CTSU 模块对电容测量结果进行降噪处理，并将数据传递给 TOUCH 模块，由后者确定触摸。CTSU 驱动程序包括 IIR 移动平均滤波器作为标准滤波器。在大多数情况下，标准滤波器可以提供足够的 SNR 和响应能力。但是，根据用户系统的不同，可能需要更强大的降噪处理。图 5-1 显示了触摸检测的数据流。用户滤波器可以放置在 CTSU 驱动程序和 TOUCH 模块之间进行噪声处理。有关如何将滤波器合并到项目中的详细说明，请参阅下面的应用说明 file 以及软件过滤器amp代码和使用示例amp项目 file. RA 系列电容式触摸软件滤波器 Samp程序（R30AN0427）

本节介绍针对每个 EMC 标准的有效滤波器。

表 5-1 EMC 标准和对应的软件滤波器

EMC标准	预期噪音	对应软件过滤器
IEC61000-4-3	随机噪声	IIR 滤波器
辐射免疫
IEC61000-4-6	周期性噪音	FIR 滤波器
传导抗扰度

IIR 滤波器
IIR 滤波器（无限脉冲响应滤波器）占用内存较少，计算量小，非常适合低功耗系统和按钮较多的应用。将其用作低通滤波器有助于降低高频噪声。但是，必须注意，截止频率越低，稳定时间越长，这将延迟 ON/OFF 判断过程。单极一阶 IIR 滤波器使用以下公式计算，其中 a 和 b 为系数，xn 为输入值，yn 为输出值，yn-1 为紧接的前一个输出值。

当 IIR 滤波器用作低通滤波器时，系数 a 和 b 可采用以下公式计算，其中amp截止频率为fs，截止频率为fc。

FIR滤波器
FIR 滤波器（有限脉冲响应滤波器）是一种高度稳定的滤波器，计算误差导致的精度下降极小。根据系数，它可以用作低通滤波器或带通滤波器，从而降低周期性噪声和随机噪声，从而提高 SNR。但是，由于 samp存储和计算某个前期的数据，内存使用量和计算负载将与滤波器抽头长度成比例增加。FIR 滤波器使用以下公式计算，其中 L 和 h0 至 hL-1 为系数，xn 为输入值，xn-I 为前 s 个输入值ample i，yn 是输出值。

用法示例amp莱斯
本节提供前amp使用 IIR 和 FIR 滤波器去除噪音的效果更好。表 5-2 显示了滤波器条件，图 5-2 显示了示例amp随机噪声消除。

表 5-2 滤波器使用示例amp莱斯

过滤格式	条件 1	条件 2	评论
单极点一阶 IIR	b=0.5	b=0.75
冷杉	L=4 h0~hL-1=0.25	L=8 h0~hL-1=0.125	使用简单移动平均线

测量周期使用说明
软件滤波器的频率特性会根据测量周期的精度而变化。此外，由于测量周期的偏差或变化，可能无法获得预期的滤波器特性。要优先考虑滤波器特性，请使用高速片上振荡器 (HOCO) 或外部晶体振荡器作为主时钟。我们还建议使用硬件计时器来管理触摸测量执行周期。

词汇表

学期	定义
康涅狄格州立大学	电容式触摸感应单元。也用于 CTSU1 和 CTSU2。
CTSU1	第二代 CTSU IP。添加“1”以区别于 CTSU2。
CTSU2	第三代 CTSU IP。
CTSU 司机	CTSU 驱动软件捆绑在 Renesas 软件包中。
CTSU 模块	可使用智能配置器嵌入的 CTSU 驱动软件单元。
TOUCH中间件	使用瑞萨软件包中捆绑的 CTSU 时用于触摸检测处理的中间件。
TOUCH模块	可使用智能配置器嵌入的TOUCH中间件单元。
r_ctsu 模块	CTSU 驱动程序显示在智能配置器中。
rm_touch 模块	智能配置器中显示的 TOUCH 模块
首席商务官	电流控制振荡器。电流控制振荡器用于电容式触摸传感器。在一些文档中也写作 ICO。
首次代币发行	与 CCO 相同。
交通部交通管制中心	用于稳定 CTSU 内部电压的电容器tage.
Damp电阻	电阻用于减少引脚损坏或外部噪声的影响。有关详细信息，请参阅电容式触摸电极设计指南 (R30AN0389)。
VDC	卷tage 下变频器。CTSU 内置电容式传感器测量电源电路。
多频率测量	使用不同频率的多个传感器单元时钟来测量触摸的功能；表示多时钟测量功能。
传感器驱动脉冲	驱动开关电容器的信号。
同步噪声	与传感器驱动脉冲匹配频率的噪声。
EUT	被测设备。表示要测试的设备。
低压差稳压器 (LDO)	低压差稳压器
PSRR	电源抑制比
FSP	灵活的软件包
合身	固件集成技术。
信息系统	软件集成系统

修订历史

牧师	日期	描述
牧师	日期	页	概括
1.00	31 年 2023 月 XNUMX 日	–	初步修订
2.00	25 年 2023 月 XNUMX 日	–	针对IEC61000-4-6
		6	为 2.2 版添加了共模噪声影响
		7	表 2-5 中添加了项目
		9	修改了3.1中的文字，更正了图3-1
		9	修订文本 3-2
		10	在3.3.1中，修改了文本并添加了图3-4。删除了如何更改多频率测量设置的说明，并添加了多频率测量干扰频率的说明图 3-5e3-5。
		11	为 3.2.2 添加了参考文档
		14	添加了有关 TSCAP 电容器 GND 连接的注释 4.1.2.2
		15	在 4.2.2 版中增加了有关布线角设计的注释
		16	增加了4.3传导噪声对策
		18	修改第5节。

处理微处理单元和微控制器单元产品的一般注意事项

以下使用说明适用于瑞萨电子的所有微处理单元和微控制器单元产品。有关本文档所涵盖产品的详细使用说明，请参阅文档的相关章节以及针对该产品发布的任何技术更新。

静电放电 (ESD) 预防措施
强电场暴露于 CMOS 器件时会破坏栅极氧化物，最终降低器件的运行性能。必须采取措施尽可能阻止静电的产生，并在静电产生时迅速消散静电。环境控制必须充分。干燥时应使用加湿器。建议这样做以避免使用容易积聚静电的绝缘体。半导体器件必须存放在防静电容器、静电屏蔽袋或导电材料中并进行运输。所有测试和测量工具（包括工作台和地板）都必须接地。操作员还必须使用腕带接地。不得用裸手触摸半导体器件。对于安装有半导体器件的印刷电路板，也必须采取类似的预防措施。
开机处理
通电时产品的状态不确定。通电时 LSI 内部电路的状态不确定，寄存器设置和引脚的状态也不确定。在将复位信号施加到外部复位引脚的成品中，从通电到复位过程完成，引脚的状态无法保证。同样，通过片上上电复位功能复位的产品，从通电到功率达到规定的复位水平，引脚的状态也无法保证。
断电状态下的信号输入
设备断电时，请勿输入信号或 I/O 上拉电源。输入此类信号或 I/O 上拉电源导致的电流注入可能会导致故障，此时流入设备的异常电流可能会导致内部元件的劣化。请遵循产品文档中所述的断电状态下的输入信号指南。

未使用引脚的处理
按照手册中未使用引脚处理部分给出的指示处理未使用的引脚。CMOS 产品的输入引脚通常处于高阻抗状态。在开路状态下使用未使用的引脚操作时，LSI 附近会产生额外的电磁噪声，相关的直通电流会在内部流动，并且由于可能将引脚状态错误地识别为输入信号而发生故障。
时钟信号
应用复位后，只有在工作时钟信号稳定后才释放复位线。在程序执行过程中切换时钟信号时，请等待目标时钟信号稳定。当时钟信号由外部谐振器或外部振荡器在复位期间产生时，请确保仅在时钟信号完全稳定后才释放复位线。此外，在程序执行过程中切换到由外部谐振器或外部振荡器产生的时钟信号时，请等待目标时钟信号稳定。
卷tage 输入引脚上的应用波形
由于输入噪声或反射波导致的波形失真可能会导致故障。如果 CMOS 器件的输入由于噪声而停留在 VIL (Max.) 和 VIH (Min.) 之间的区域，例如ample，设备可能会出现故障。当输入电平固定时，以及输入电平通过 VIL（最大值）和 VIH（最小值）之间的区域时，请注意防止颤振噪声进入设备。

禁止访问保留地址
禁止访问保留地址。保留地址是为将来可能的功能扩展而提供的。不要访问这些地址，因为不能保证 LSI 的正确操作。
产品之间的差异
在从一种产品更改为另一种产品之前，例如ample，更换为不同部件号的产品时，请确认更换不会导致问题。同一组内不同部件号的微处理单元或微控制器单元产品的特性可能在内存容量、布局模式和其他因素方面有所不同，这可能会影响电气特性的范围，例如特性值、操作裕度、抗噪性和辐射噪声量。更换为不同部件号的产品时，请对给定产品进行系统评估测试。

注意

本文档中对电路、软件和其他相关信息的描述仅用于说明半导体产品和应用程序的操作，例如amples。您完全负责将电路、软件和信息纳入或以其他方式用于您的产品或系统的设计。瑞萨电子对于您或第三方因使用这些电路、软件或信息而遭受的任何损失和损害不承担任何责任。
瑞萨电子在此明确声明，对于因使用本文件中描述的瑞萨电子产品或技术信息而引起的或涉及第三方专利、版权或其他知识产权的侵权或其他索赔，包括但不限于产品数据、图纸、图表、程序、算法和应用示例，不承担任何担保和责任。amp莱斯。
根据瑞萨电子或其他方的任何专利、版权或其他知识产权，特此未授予任何明示、暗示或其他许可。

您应负责确定需要从任何第三方获得哪些许可，并在必要时获取此类许可，以便合法进口、出口、制造、销售、使用、分销或以其他方式处置任何包含瑞萨电子产品的产品。
您不得更改、修改、复制或逆向工程任何瑞萨电子产品，无论是全部还是部分。瑞萨电子对因此类更改、修改、复制或逆向工程而导致您或第三方遭受的任何损失或损害不承担任何责任。
瑞萨电子产品根据以下两个质量等级进行分类：“标准”和“高品质”。瑞萨电子产品的预期用途取决于产品的质量等级，如下所示。
“标准”：计算机；办公用品; 通讯设备；测试和测量设备；视听设备；家用电器；机械工具; 个人电子设备；工业机器人；等等。
“高品质”：运输设备（汽车、火车、轮船等）；交通管制（红绿灯）；大型通讯设备；关键金融终端系统；安全控制设备；等等。
除非瑞萨电子数据表或其他瑞萨电子文档明确指定为高可靠性产品或适用于恶劣环境的产品，否则瑞萨电子产品不适用于或授权用于可能对人类生命或身体伤害造成直接威胁的产品或系统（人工生命支持设备或系统；手术植入等）或可能导致严重财产损失（太空系统；海底中继器；核电控制系统；飞机控制系统；关键工厂系统；军事装备等）。瑞萨电子不承担因使用任何与瑞萨电子数据表、用户手册或其他瑞萨电子文档不一致的瑞萨电子产品而导致您或任何第三方遭受的任何损害或损失的任何责任。

任何半导体产品都不是安全的。尽管瑞萨电子硬件或软件产品中可能实施了任何安全措施或功能，但瑞萨电子对任何漏洞或安全漏洞概不负责，包括但不限于未经授权访问或使用瑞萨电子产品或使用瑞萨电子产品的系统。瑞萨电子不保证或担保瑞萨电子产品或使用瑞萨电子产品创建的任何系统不会受到攻击或损坏、攻击、病毒、干扰、黑客攻击、数据丢失或盗窃或其他安全入侵（“漏洞问题”）。瑞萨电子不承担因任何漏洞问题引起或与之相关的任何责任或义务。此外，在适用法律允许的范围内，瑞萨电子不承担与本文档以及任何相关或随附软件或硬件有关的任何明示或暗示的保证，包括但不限于适销性或特定用途适用性的暗示保证。
使用瑞萨电子产品时，请参阅最新的产品信息（数据表、用户手册、应用说明、可靠性手册中的“处理和使用半导体设备的一般注意事项”等），并确保使用条件在瑞萨电子规定的范围内，包括最大额定值、工作电源电压tag范围、散热特性、安装等。对于因在指定范围之外使用瑞萨电子产品而引起的任何故障、失效或事故，瑞萨电子不承担任何责任。
尽管瑞萨电子致力于提高瑞萨电子产品的质量和可靠性，但半导体产品具有特定的特性，例如以一定的速率发生故障以及在一定的使用条件下发生故障。除非在瑞萨电子数据表或其他瑞萨电子文件中指定为高可靠性产品或用于恶劣环境的产品，否则瑞萨电子产品不采用抗辐射设计。您有责任实施安全措施，以防止瑞萨电子产品发生故障或故障时造成人身伤害、火灾造成的伤害或损害和/或对公众造成危险，例如硬件和软件的安全设计，包括但不限于冗余、火灾控制和故障预防、适当的老化退化处理或任何其他适当措施。由于单独评估微机软件非常困难且不切实际，因此您有责任评估您制造的最终产品或系统的安全性。

有关环境问题的详细信息（例如每种瑞萨电子产品的环境兼容性），请联系瑞萨电子销售办事处。您有责任仔细充分地调查规范受控物质的添加或使用的适用法律和法规，包括但不限于欧盟 RoHS 指令，并在遵守所有这些适用法律和法规的情况下使用瑞萨电子产品。瑞萨电子对因您不遵守适用法律和法规而造成的损害或损失不承担任何责任。
瑞萨电子产品和技术不得用于或纳入任何适用的国内外法律或法规禁止制造、使用或销售的产品或系统。您应遵守对各方或交易具有管辖权的任何国家政府颁布和实施的任何适用的出口管制法律和法规。
瑞萨电子产品的购买者或分销商，或任何分销、处置或以其他方式销售或转让产品给第三方的其他方，有责任提前通知该第三方本文件中概述的内容和条件。

未经瑞萨电子事先书面同意，不得以任何形式全部或部分重印、复制或复印本文件。
如果您对本文档中包含的信息或瑞萨电子产品有任何疑问，请联系瑞萨电子销售办事处。

(注1) 本文件中使用的“瑞萨电子”是指瑞萨电子公司，还包括其直接或间接控制的子公司。

(注2) “瑞萨电子产品”是指由瑞萨电子开发或制造或为瑞萨电子开发或制造的任何产品。

公司总部
TOYOSU FORESIA, 3-2-24 Toyosu, Koto-ku, Tokyo 135-0061, 日本 www.renesas.com

商标
Renesas 和 Renesas 徽标是瑞萨电子株式会社的商标。所有商标和注册商标均归其各自所有者所有。

联系信息
有关产品、技术、最新版本文档或您最近的销售办事处的更多信息，请访问 www.renesas.com/contact/.

2023 瑞萨电子株式会社。保留所有权利。

文件/资源

RENESAS RA2E1 电容式传感器 MCU [pdf] 用户指南
RA2E1、RX 系列、RA 系列、RL78 系列、RA2E1 电容式传感器 MCU、RA2E1、电容式传感器 MCU、传感器 MCU

参考

用户手册