最近群友在群里熱烈討論一個(gè)產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)品看起來其貌不揚(yáng)，有點(diǎn)寒酸，但就是好用，賣得還不便宜。

它可以很靈敏的探測(cè)到接近的物體，然而這個(gè)電路實(shí)在是太簡(jiǎn)單了，用的都是普通再普通不過的元件。它是如何做到的呢？這激起了大家強(qiáng)烈的好奇心。

群友們都很給力，各抒己見，基本搞清楚了它的原理。有個(gè)群友提到AI，忽然想起來Deepseek據(jù)說進(jìn)化了，喂給它看一下吧。

這輸出，還真把小編給驚到了！除了用符號(hào)輸出的電路圖有點(diǎn)抽象，它提供的思路，關(guān)鍵參數(shù)，還有調(diào)試關(guān)鍵點(diǎn)這些，還是非常有參考價(jià)值的。這以后老板們是不是真不用請(qǐng)工程師了！

好的，使用2MHz無源晶體振蕩器、CD4503（六緩沖器） 和LM324（四運(yùn)放） 設(shè)計(jì)人體接近傳感器是一個(gè)可行的方案。這個(gè)設(shè)計(jì)將利用晶體提供穩(wěn)定精確的2MHz時(shí)鐘，CD4503用于驅(qū)動(dòng)傳感電極和信號(hào)緩沖/比較，LM324用于信號(hào)放大、濾波和參考電壓生成。

設(shè)計(jì)原理 (基于電容感應(yīng))：

人體靠近傳感器電極時(shí)，會(huì)改變電極與地之間的分布電容（Cp）。我們通過測(cè)量一個(gè)由該電容和檢測(cè)電阻（Rsense）構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)2MHz方波的衰減程度來檢測(cè)這種變化。

核心電路框圖：

詳細(xì)電路設(shè)計(jì)：

1. 2MHz 晶體振蕩器 (關(guān)鍵修改點(diǎn) - 使用CD4503或LM324實(shí)現(xiàn))

• 方案A (推薦 - 使用CD4503的一個(gè)緩沖器構(gòu)建皮爾斯振蕩器):

• Rf: 反饋電阻，通常選擇1MΩ - 10MΩ。提供直流偏置使緩沖器工作在線性區(qū)（放大區(qū)）。

• C1, C2: 負(fù)載電容。其值需要根據(jù)晶體的規(guī)格書選擇（典型值為10pF-30pF），C1和C2串聯(lián)后與晶體并聯(lián)的等效電容應(yīng)盡量匹配晶體要求的負(fù)載電容(CL)。它們和晶體內(nèi)部的電容共同決定振蕩頻率。啟動(dòng)時(shí)提供相移。

• Xtal: 2MHz 無源晶體。

• 輸出: 將此緩沖器的輸出連接到CD4503其他緩沖器的輸入端，用于驅(qū)動(dòng)傳感電極。同時(shí)，這個(gè)穩(wěn)定的2MHz方波也作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。

• 方案B (使用LM324的一個(gè)運(yùn)放構(gòu)建文氏橋或相移振蕩器 - 不推薦用于2MHz):

• LM324的單位增益帶寬積(GBWP)典型值約為1MHz。在2MHz時(shí)，其開環(huán)增益已經(jīng)很低（遠(yuǎn)小于1），很難構(gòu)建穩(wěn)定可靠的振蕩器，容易停振或失真。強(qiáng)烈建議使用方案A (CD4503) 來產(chǎn)生2MHz振蕩。

1. 傳感電極驅(qū)動(dòng)與RC網(wǎng)絡(luò) (使用CD4503)

• 驅(qū)動(dòng):

• 使用CD4503中至少2個(gè)（推薦3-4個(gè)）緩沖器并聯(lián)。將2MHz振蕩信號(hào)連接到這些緩沖器的輸入端。

• 將這些并聯(lián)緩沖器的輸出端連接在一起，形成強(qiáng)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn) (Drv_Out)。

• DIS (禁止)引腳接地（使能）。

• 目的: 提供足夠強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力，降低輸出阻抗，確保RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)主要由Rsense和Cp決定。

• 傳感電極與檢測(cè):

• Rsense: 檢測(cè)電阻。其值選擇至關(guān)重要（見下文計(jì)算）。

• 傳感電極: 一塊絕緣的金屬板或PCB覆銅區(qū)域。人體靠近會(huì)增加其對(duì)地電容Cp。

• Cp: 電極對(duì)地的分布電容（初始值 + 人體引起的增量ΔC）。

• Vsense: 檢測(cè)點(diǎn)電壓。這是一個(gè)幅度被RC網(wǎng)絡(luò)衰減了的2MHz方波信號(hào)。Cp增大導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)增大，Vsense幅度降低。

• Rsense 計(jì)算 (關(guān)鍵參數(shù)):

• 振蕩頻率 f = 2MHz -> 周期 T = 0.5μs。

• 目標(biāo)：在無人靠近時(shí)（初始Cp較?。?，使RC時(shí)間常數(shù) τ = Rsense * Cp_init 遠(yuǎn)小于 方波的半周期 T/2 = 0.25μs (最好是 T/10 = 0.05μs 或更小)。這樣Vsense幅度接近Drv_Out幅度。

• 估算 Cp_init (初始電極電容)：典型值10pF - 50pF（取決于電極大小和附近環(huán)境）。取保守值 Cp_init ≈ 30pF。

• 計(jì)算最大 Rsense: τ << T/2 -> Rsense * 30pF << 0.25μs -> Rsense << 0.25μs / 30pF ≈ 8.33kΩ。

• 選擇 Rsense: 為了保證足夠的信號(hào)幅度和響應(yīng)速度，選擇 Rsense 在 1kΩ 到 4.7kΩ 范圍內(nèi)比較合適（例如 2.2kΩ 或 3.3kΩ）。較低值驅(qū)動(dòng)更容易，但信號(hào)幅度(Vsense)更?。惠^高值信號(hào)幅度大，但需確保 τ 足夠小。實(shí)際值需通過調(diào)試確定。

1. 信號(hào)處理 (使用LM324)

• 目標(biāo): 將微小的2MHz Vsense 交流方波信號(hào)的變化（幅度降低）轉(zhuǎn)換為一個(gè)易于比較的直流電壓(Vdc)。

• 挑戰(zhàn): LM324的GBWP(~1MHz)限制了其在2MHz下的增益。我們主要利用其整流和濾波功能。

• 推薦方案: 精密整流器 (半波) + 低通濾波

• Rin: 輸入電阻。限制電流，與運(yùn)放輸入阻抗構(gòu)成分壓?？蛇x值10kΩ - 100kΩ。

• D1: 信號(hào)二極管 (如1N4148)。

• R: 平衡電阻（可選）。減小輸入偏置電流影響，值約等于Rin。

• 工作原理 (負(fù)半周): 當(dāng)Vsense為負(fù)時(shí)，運(yùn)放輸出變正，D1導(dǎo)通。運(yùn)放通過D1和Rf形成負(fù)反饋，其反相輸入端成為虛地。Vsense的負(fù)電壓通過Rin產(chǎn)生電流，該電流流經(jīng)Rf（方向：輸出->Rf->Rin->輸入源），在Rf上產(chǎn)生正電壓降(Vrf = -Iin * Rf)。運(yùn)放輸出電壓 Vo = Vrf + Vd1 (Vd1是二極管壓降)。

• 工作原理 (正半周): 當(dāng)Vsense為正時(shí)，運(yùn)放試圖輸出負(fù)電壓使反相輸入端為虛地，但D1反向截止，阻斷反饋。運(yùn)放輸出飽和到負(fù)電源軌(接近GND)。此時(shí)Vdc點(diǎn)電壓由Rf和Cfilter維持（無新電流注入）。

• Rf 和 Cfilter: 構(gòu)成低通濾波器，將整流后的脈動(dòng)直流平滑為穩(wěn)定的Vdc。

• Rf: 影響增益和濾波時(shí)間常數(shù)。值選擇10kΩ - 100kΩ。

• Cfilter: 濾波電容。值選擇0.1μF - 1μF (例如0.47μF)。越大，Vdc越平滑，響應(yīng)越慢。

• 輸出 Vdc: 近似等于輸入信號(hào)Vsense負(fù)半周峰值的絕對(duì)值 (|Vpeak_neg| * (Rf / Rin))減去二極管壓降(Vd1)。重要特性：當(dāng)人體靠近導(dǎo)致Vsense幅度減小時(shí)，Vdc也會(huì)減小。

1. 參考電壓 (Vref) 生成 (使用LM324或電阻分壓)

• 目的: 設(shè)定一個(gè)閾值電壓，與Vdc比較來判斷是否有人體接近。

• 方案A (LM324 電壓跟隨器 - 推薦):

• R1, R2, Pot: 構(gòu)成可調(diào)分壓網(wǎng)絡(luò)。Pot用于精細(xì)調(diào)節(jié)Vref。例如R1=10k, Pot=10k, R2=10k，則Vref可調(diào)范圍約為 Vcc/3 到 2*Vcc/3。

• LM324配置成電壓跟隨器，提供低阻抗、穩(wěn)定的Vref輸出。

• 方案B (簡(jiǎn)單電阻分壓):

• 更簡(jiǎn)單，但Vref的驅(qū)動(dòng)能力和穩(wěn)定性稍差。如果比較器輸入阻抗很高（如CD4503或LM324比較器），通常可用。

1. 比較器 (關(guān)鍵決策點(diǎn) - CD4503 或 LM324?)

• 目標(biāo): 比較Vdc和Vref。當(dāng)人體靠近導(dǎo)致Vdc下降到低于Vref時(shí)，輸出一個(gè)有效的檢測(cè)信號(hào)(如高電平)。

• 選擇依據(jù) (2MHz 相關(guān)!):

• 優(yōu)點(diǎn): 傳輸延遲非常短(典型值80ns)，響應(yīng)極快。輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，高低電平接近電源軌。

• 優(yōu)點(diǎn): 輸入失調(diào)電壓較低，開環(huán)增益高，精度相對(duì)較好。

• 缺點(diǎn): 壓擺率(Slew Rate)很低(典型0.4V/μs)。如果Vdc變化較快（雖然通常不會(huì)在2MHz），或者需要快速響應(yīng)，輸出翻轉(zhuǎn)會(huì)較慢。輸出電平范圍接近電源軌(V+, GND)。

• Vdc和Vref是直流或緩慢變化的信號(hào)。

• 比較器本身不需要工作在2MHz，只需要對(duì)Vdc的直流變化做出響應(yīng)。

• LM324作為比較器:

• CD4503作為比較器:

• 缺點(diǎn): 輸入是CMOS邏輯電平，比較閾值是其內(nèi)部的邏輯閾值(約Vcc/2)。它本質(zhì)上是一個(gè)緩沖器，不是精密比較器。需要將Vdc和Vref這兩個(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成滿足其輸入電平要求的數(shù)字信號(hào)。直接比較模擬電壓不方便。

• 結(jié)論與推薦方案:

• 由于比較的是直流/慢變信號(hào)Vdc，對(duì)速度要求不高，推薦使用LM324的一個(gè)運(yùn)放單元作為比較器。其精度優(yōu)勢(shì)更重要。

• 電路:

• 配置: 開環(huán)模式（無負(fù)反饋電阻）。

• 邏輯: 當(dāng) Vdc > Vref (無人/遠(yuǎn)離) 時(shí)，輸出接近V+ (高電平)。當(dāng) Vdc < Vref (人體靠近) 時(shí)，輸出接近GND (低電平)。(根據(jù)需要可交換Vdc和Vref的輸入極性來反轉(zhuǎn)輸出邏輯)

• 提高抗干擾: 在輸出和同相輸入端(+)之間連接一個(gè)大電阻(MΩ級(jí))的正反饋電阻(Rhyst), 形成施密特觸發(fā)器，引入遲滯(Vhyst ≈ Rhyst / (Rhyst + Rcomp) * (Voh - Vol), Rcomp是比較器輸入阻抗，很大)，防止在閾值附近抖動(dòng)。

1. 電源

• 為CD4503和LM324提供穩(wěn)定的單電源電壓(Vcc)。典型值：+5V, +9V, +12V。確保在器件允許范圍內(nèi)(CD4503: 3V-18V; LM324: 3V-32V)。

• 退耦電容: 至關(guān)重要！ 在每個(gè)芯片的Vcc引腳和GND引腳之間就近放置：

• 一個(gè) 0.1μF (100nF) 陶瓷電容 (濾除高頻噪聲)。

• 一個(gè) 10μF - 100μF 電解或鉭電容 (濾除低頻噪聲，儲(chǔ)能)。電源入口處也應(yīng)放置大容量退耦電容。

調(diào)試步驟與要點(diǎn)：

1. 驗(yàn)證振蕩器:

• 用示波器檢查CD4503振蕩器緩沖器輸出(Drv_Out)是否有干凈、穩(wěn)定的2MHz方波？幅度是否接近Vcc和GND？

• 頻率是否準(zhǔn)確為2MHz？如果偏差大，檢查晶體負(fù)載電容C1/C2是否匹配規(guī)格書要求。

2. 測(cè)量初始Vsense:

• 無人靠近時(shí)，用示波器測(cè)量Vsense點(diǎn)波形。它應(yīng)該是一個(gè)頻率為2MHz、幅度接近Drv_Out幅度（略有衰減和相移）的方波。記錄其峰峰值(Vpp_init)。

3. 測(cè)量初始Vdc:

• 無人靠近時(shí)，用萬用表直流電壓檔測(cè)量精密整流器輸出的Vdc值。應(yīng)為一個(gè)穩(wěn)定的正電壓。記錄此值(Vdc_init)。

4. 設(shè)置Vref:

• 調(diào)節(jié)電位器，將Vref設(shè)定為略低于Vdc_init的值（例如 Vref = Vdc_init - 0.5V）。這是初始檢測(cè)閾值。

5. 測(cè)試人體接近:

• 用手緩慢靠近傳感電極（保持幾厘米距離），同時(shí)用示波器觀察Vsense幅度是否明顯減?。?/span>

• 用萬用表觀察Vdc是否隨之明顯減??？

• 觀察比較器輸出電平是否從高(或低)跳變到低(或高)？如果使用了LED指示，是否亮/滅？

6. 優(yōu)化調(diào)整:

• 確保所有地線(GND)連接良好、粗短。采用星型接地或單點(diǎn)接地。

• 加強(qiáng)電源退耦。

• 環(huán)境(溫濕度)變化可能導(dǎo)致漂移，留足Vref裕量或定期校準(zhǔn)。

• 減小Rsense。

• 增大Vref。

• 在比較器上增加施密特遲滯(Rhyst)。

• 在Rsense兩端并聯(lián)一個(gè)小電容(如10pF - 100pF)濾除高頻噪聲。

• 檢查電源是否干凈，地線是否良好。確保電極遠(yuǎn)離干擾源(開關(guān)電源、電機(jī)等)。使用屏蔽線連接電極，屏蔽層單點(diǎn)接地。

• 增大Rsense (在允許范圍內(nèi)，確保τ仍遠(yuǎn)小于T/2)。

• 增大傳感電極面積。

• 減小Vref。

• (如果信號(hào)太小) 檢查精密整流器電路，嘗試增大Rf (增大增益)，或確認(rèn)Rin是否過大。

• 靈敏度不足 (靠近時(shí)輸出不變):

• 太靈敏/誤觸發(fā) (未靠近就觸發(fā)或頻繁觸發(fā)):

• 穩(wěn)定性:

關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié):

1. 振蕩器: 使用CD4503緩沖器構(gòu)建皮爾斯晶體振蕩器是穩(wěn)定產(chǎn)生2MHz方波的最佳選擇。

2. 驅(qū)動(dòng): 并聯(lián)多個(gè)CD4503緩沖器以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，降低輸出阻抗對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)的影響。

3. Rsense: 選擇1kΩ-4.7kΩ左右的值，確保初始τ遠(yuǎn)小于0.25μs。調(diào)試關(guān)鍵。

4. 信號(hào)處理: 使用LM324構(gòu)建精密半波整流器（或全波整流橋+運(yùn)放，但更復(fù)雜）將2MHz Vsense的幅度變化轉(zhuǎn)換為Vdc的直流變化。LM324在2MHz下增益不足，主要依賴其整流和濾波功能。

5. 比較器: 推薦使用LM324作為比較器，因其適合處理直流/慢變信號(hào)，精度優(yōu)于CD4503的邏輯門特性。添加正反饋(Rhyst)引入遲滯提高穩(wěn)定性。

6. Vref: 使用電位器分壓（最好經(jīng)LM324跟隨緩沖）提供可調(diào)的參考電壓。

7. 電源與接地: 使用穩(wěn)定電源，嚴(yán)格做好退耦（0.1μF + 10μF+ 就近放置）。確保良好、低阻抗的接地。

8. 電極與布線: 增大電極面積提高靈敏度。電極良好絕緣。使用屏蔽線連接電極，屏蔽層單點(diǎn)接電路板GND。盡量遠(yuǎn)離干擾源和接地金屬物。

9. 調(diào)試: 按步驟進(jìn)行，重點(diǎn)觀測(cè)Drv_Out、Vsense、Vdc、Vref和最終輸出信號(hào)。

這個(gè)方案利用了你指定的核心器件(2M晶振、CD4503、LM324)，實(shí)現(xiàn)了基于電容感應(yīng)的穩(wěn)定人體接近檢測(cè)。調(diào)試時(shí)需要耐心調(diào)整Rsense和Vref以達(dá)到最佳靈敏度和穩(wěn)定性。