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(gè)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(lái)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(jí)角速度傳感器ADXRS800中的應(yīng)用。

　　對(duì)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(dòng)部件等，似乎很難想起“不太起眼”的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。事實(shí)上，ADC特別是Σ-Δ型ADC分布在汽車的各個(gè)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?hào)調(diào)整的角色，即將客觀世界中一些非常微小的小信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被電子器件識(shí)別的電信號(hào)，但是現(xiàn)在的技術(shù)趨勢(shì)是這些傳統(tǒng)的純模擬的傳感器內(nèi)部正在越來(lái)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(lái)越多地將傳感器和Σ-Δ型ADC進(jìn)行融合，來(lái)優(yōu)化傳感器的性能。工程師們同時(shí)在模擬信號(hào)采集和數(shù)字后處理要求的兩個(gè)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(jiǎn)單(類似于一個(gè)1bit ADC),而數(shù)字部分則要復(fù)雜得多，它綜合運(yùn)用獨(dú)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(gè)數(shù)字器件，所以其制造成本相對(duì)低廉。

　　通常，Σ-Δ型ADC的分辨率非常高(16-24 位)，不過(guò)速度較低(10-480 KSPS)。由于采用高倍率過(guò)采樣技術(shù)，降低了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波、前置放大的要求，實(shí)際上取消了信號(hào)調(diào)理，所以非常適合測(cè)量來(lái)自應(yīng)變計(jì)、熱電偶和電阻溫度傳感器等傳感器的小信號(hào)而無(wú)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(jìn)的“數(shù)字傳感器”產(chǎn)品具有各種各樣的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)或更加“智能”。ADC可以使用內(nèi)部校準(zhǔn)和線性化程序來(lái)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(lì)信號(hào);數(shù)字控制型可編程增益放大器可用來(lái)“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(gè)不同的信號(hào)。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(jì)算并消除熱誤差。微機(jī)電(MEMS)傳感器如加速度計(jì)和陀螺儀，同樣也結(jié)合了數(shù)據(jù)傳感器來(lái)感應(yīng)慣性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)合?？傊?，這意味著設(shè)計(jì)人員不必像以往那樣過(guò)多關(guān)注如何處理具體的傳感器性能問(wèn)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(shí)現(xiàn)一些非常先進(jìn)非常有用的功能，這些功能包括零點(diǎn)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(shí)：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(duì)從小到大的各種信號(hào)進(jìn)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(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器大多是流水線型。　　

 

　　我們先來(lái)看一輛汽車對(duì)ADC動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，例如如果要檢測(cè)電池的電量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，這時(shí)待機(jī)電流只有幾十毫安，而當(dāng)起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，工作電流可以達(dá)到幾百安，相差將近10萬(wàn)倍，要檢測(cè)這么大的動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，當(dāng)然需要具有大的動(dòng)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(dòng)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(duì)于車輛側(cè)翻的檢測(cè)，汽車一側(cè)輪胎在開(kāi)始抬起時(shí)候的角速度并不高。