Σ-Δ型ADC將更多“智能”注入汽車傳感器

　　摘要：ADC特別是Σ-Δ型ADC分布在汽車的各個角落中，這些ADC正在使傳統(tǒng)意義上的傳感器變得不再傳統(tǒng)，為汽車傳感器帶來更多的智能基因。本文將闡述Σ-Δ型ADC在汽車安全系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及ADI公司Σ-Δ型ADC在汽車電池監(jiān)控系統(tǒng)中以及汽車級角速度傳感器ADXRS800中的應(yīng)用。

　　對于汽車中電子器件，人們很容易一下子列舉出MCU、大量的傳感器、驅(qū)動部件等，似乎很難想起“不太起眼”的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。事實上，ADC特別是Σ-Δ型ADC分布在汽車的各個角落中。ADC正在使傳統(tǒng)意義上的傳感器變得不再傳統(tǒng)，傳統(tǒng)意義上的傳感器通常擔(dān)當(dāng)?shù)氖切盘栒{(diào)整的角色，即將客觀世界中一些非常微小的小信號轉(zhuǎn)換成可以被電子器件識別的電信號，但是現(xiàn)在的技術(shù)趨勢是這些傳統(tǒng)的純模擬的傳感器內(nèi)部正在越來越多的引入數(shù)字處理的部分，而這其中就包括了Σ-Δ型ADC。

　　業(yè)界越來越多地將傳感器和Σ-Δ型ADC進行融合，來優(yōu)化傳感器的性能。工程師們同時在模擬信號采集和數(shù)字后處理要求的兩個方面考察傳感器和轉(zhuǎn)換器，這不僅可以使轉(zhuǎn)換器“充分激發(fā)”傳感器元件的效能，以此優(yōu)化傳感器性能，而且將成本減至最低。

　　汽車應(yīng)用為何青睞Σ-Δ型ADC

　　Σ-Δ型ADC通常被認(rèn)為是最復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，它的模擬部分非常簡單(類似于一個1bit ADC),而數(shù)字部分則要復(fù)雜得多，它綜合運用獨特的“采樣”與“降噪”技術(shù)，按照功能劃分為數(shù)字濾波和抽取單元。由于Σ-Δ型ADC更接近于一個數(shù)字器件，所以其制造成本相對低廉。

　　通常，Σ-Δ型ADC的分辨率非常高(16-24 位)，不過速度較低(10-480 KSPS)。由于采用高倍率過采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進行濾波、前置放大的要求，實際上取消了信號調(diào)理，所以非常適合測量來自應(yīng)變計、熱電偶和電阻溫度傳感器等傳感器的小信號而無需采樣保持放大器或增益調(diào)整放大器。

　　由于集成度的增加，先進的“數(shù)字傳感器”產(chǎn)品具有各種各樣的設(shè)計優(yōu)勢或更加“智能”。ADC可以使用內(nèi)部校準(zhǔn)和線性化程序來處理傳感器輸出;傳感器可以校正傳感器增益和偏移，并產(chǎn)生片內(nèi)傳感器激勵信號;數(shù)字控制型可編程增益放大器可用來“優(yōu)化”ADC至特定傳感器讀數(shù)，然后重新配置以從相同的傳感器讀取一個不同的信號。ADC內(nèi)置溫度監(jiān)控功能并根據(jù)溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器輸出，可計算并消除熱誤差。微機電(MEMS)傳感器如加速度計和陀螺儀，同樣也結(jié)合了數(shù)據(jù)傳感器來感應(yīng)慣性和旋轉(zhuǎn)運動，非常適用于汽車安全及穩(wěn)定控制系統(tǒng)等一系列汽車應(yīng)用場合?？傊@意味著設(shè)計人員不必像以往那樣過多關(guān)注如何處理具體的傳感器性能問題，從而加快上市并大多能改善性能?！　?/p>

 

　　引入數(shù)字處理的部分使汽車電子系統(tǒng)可以實現(xiàn)一些非常先進非常有用的功能，這些功能包括零點消除、自診斷、濾波頻段的設(shè)定、量程可調(diào)等。而Σ-Δ型ADC之所以能在這其中擔(dān)當(dāng)重要角色，主要緣于它的架構(gòu)。

　　如上圖2所示為各種架構(gòu)的ADC采樣率和精度的比較。通常我們有這樣的共識：最常用的通用架構(gòu)一般是逐次逼近寄存器 (SAR) 型;而用于高分辨率(要求對從小到大的各種信號進行數(shù)字化處理的工業(yè)領(lǐng)域)的主要類型是Σ-Δ型;當(dāng)前處理高速信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器大多是流水線型?！　?/p>

 

　　我們先來看一輛汽車對ADC動態(tài)范圍和分辨率的要求。汽車應(yīng)用中通常要處理大的動態(tài)范圍的信號，例如如果要檢測電池的電量，當(dāng)發(fā)動機熄火時，這時待機電流只有幾十毫安，而當(dāng)起動機啟動時，工作電流可以達到幾百安，相差將近10萬倍，要檢測這么大的動態(tài)范圍的信號，當(dāng)然需要具有大的動態(tài)范圍和非常高分辨率的ADC架構(gòu)了。Σ-Δ型具有的寬動態(tài)范圍非常適合這一應(yīng)用。除此之外，Σ-Δ型ADC高分辨率的特性還非常適合于汽車的安全應(yīng)用。

　　雖然Σ-Δ型ADC相比其它架構(gòu)的ADC速度并不高，但這并不影響它在汽車中的應(yīng)用。如對于車輛側(cè)翻的檢測，汽車一側(cè)輪胎在開始抬起時候的角速度并不高。