Σ-Δ型ADC將更多“智能”注入汽車傳感器

　　Σ-Δ型ADC在汽車安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖3體現(xiàn)了Σ-Δ型ADC在MEMS傳感器中的應(yīng)用實(shí)例，包括三個(gè)方面：安全氣囊、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、側(cè)翻的穩(wěn)定系統(tǒng)。　　

 

　　無(wú)論是安全氣囊還是電子穩(wěn)定系統(tǒng)或者側(cè)翻的穩(wěn)定系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理都是基于用MEMS傳感器來(lái)檢測(cè)車的姿態(tài)。比如安全氣囊，當(dāng)碰撞發(fā)生的時(shí)候去檢測(cè)這個(gè)碰撞所帶來(lái)位移的加速度和減速度，當(dāng)加速度達(dá)到一定程度，才能判斷這是一個(gè)碰撞，而不是汽車本身的剎車帶來(lái)的減速度，這里的MEMS傳感器不只是檢測(cè)信號(hào)，還作為一個(gè)決策者的角色而存在。

　　對(duì)于電子穩(wěn)定系統(tǒng)，則要判斷汽車在雪地上的轉(zhuǎn)彎是不是還帶有側(cè)滑，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)有一個(gè)角速度，當(dāng)這個(gè)角速度達(dá)到一定的水平就是異常的側(cè)滑而不是車輛本身的轉(zhuǎn)彎。而側(cè)翻的趨勢(shì)也是一個(gè)角速度。這其中都會(huì)用到各種各樣MEMS傳感器，如加速度計(jì)和陀螺儀。

　　這些MEMS傳感器由許多非常微小的微米級(jí)的小彈片組成，如上圖3。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞或者有姿態(tài)變化的時(shí)候，加速度就會(huì)帶來(lái)一個(gè)位移，這個(gè)位移就會(huì)帶來(lái)一個(gè)電信號(hào)的變化，具體來(lái)說(shuō)是電容信號(hào)的變化。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，就把動(dòng)作的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)的變化，沒(méi)有動(dòng)作發(fā)生的時(shí)候，信號(hào)是0，當(dāng)有動(dòng)作的發(fā)生的時(shí)候，就輸出信號(hào)，并且動(dòng)作幅度越大，電信號(hào)也越大。

　　但是，MEMS傳感器檢測(cè)的電信號(hào)是非常微弱的，這就需要將它放大，然后才能用一定采樣位數(shù)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，再送給單片機(jī)或處理器進(jìn)行分析，才能得到具體的加速度數(shù)值。這就是傳統(tǒng)的老一代MEMS傳感器的架構(gòu)，它包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)用以驅(qū)動(dòng)機(jī)械MEMS的單元，然后再用交流做激勵(lì)，將動(dòng)作發(fā)生時(shí)候差分的電信號(hào)進(jìn)行放大解調(diào)輸出，所以這是一個(gè)模擬的信號(hào)，當(dāng)外部動(dòng)作帶來(lái)位移變化的時(shí)候，通過(guò)MEMS的單元變成電信號(hào)直接輸出。

　　技術(shù)在不斷的演進(jìn)，上述老一代MEMS傳感器變得越來(lái)越過(guò)時(shí)，新一代的傳感器設(shè)計(jì)面臨很多新的挑戰(zhàn)，比如：

　　1. 數(shù)據(jù)輸出的接口有標(biāo)準(zhǔn)的要求(模擬接口向數(shù)字接口轉(zhuǎn)變);數(shù)據(jù)安全性標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題;

　　2. 測(cè)量范圍的擴(kuò)大(即同樣的一個(gè)傳感器單元要能夠?qū)崿F(xiàn)低量程到高量程的自適應(yīng));

　　3. 輸出信號(hào)頻帶可選性(即位移發(fā)生時(shí)候的信號(hào)是很多頻率信號(hào)混雜在一起的，有高頻的，有低頻的，因?yàn)榕鲎彩且粋€(gè)綜合事件。而安全氣囊要不要彈開(kāi)?這就需要去判斷特定頻帶下的一個(gè)信號(hào));

　　4. 自測(cè)機(jī)制(傳感器是整個(gè)判斷機(jī)制的主要信息來(lái)源，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)決定氣囊是不是要彈開(kāi)?那么這個(gè)決策如果錯(cuò)了，不彈開(kāi)，那后果可想而知，但是不該彈開(kāi)的時(shí)候彈開(kāi)了后果也可想而知。所以傳感器的數(shù)據(jù)必須可靠，所以必須有自測(cè)的功能);　　

 

　　5. 溫度的補(bǔ)償;零點(diǎn)的補(bǔ)償?shù)纫捕挤浅Ｖ匾?。這些要求如果純粹用純模擬的器件完成，雖然可以把精度做的很高，例如使用非常高性能的運(yùn)放、調(diào)理電路，但是沒(méi)法做出靈活性和可重復(fù)性。

　　而新一代MEMS傳感器集成Σ-Δ型ADC后，由于Σ-Δ架構(gòu)輸出的是數(shù)字信號(hào)，所以可以非常方便的對(duì)其進(jìn)行零點(diǎn)校正、溫度補(bǔ)償?shù)?，所有這些任務(wù)都可以在Σ-Δ型ADC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

　　汽車電池監(jiān)控系統(tǒng)中的用武之地

　　ADI公司集成了16位Σ-Δ型ADC、FPGA和處理器內(nèi)核的精密傳感器SoC ADuC703x為用戶提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效的電池測(cè)量方案，可實(shí)現(xiàn)超高動(dòng)態(tài)范圍和精度的電流測(cè)量、電壓測(cè)量、和溫度測(cè)量。ADuC703x不僅可配合監(jiān)控器IC來(lái)進(jìn)行新能源汽車電池的監(jiān)控，還在傳統(tǒng)汽車的電池監(jiān)控中有極高的市場(chǎng)占有率。

　　Start-Stop系統(tǒng)在汽車等紅燈的時(shí)候，將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅，而當(dāng)綠燈亮的時(shí)候再點(diǎn)著，這樣做的目的是不讓發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，還能省下很多油。這個(gè)應(yīng)用目前在歐洲的使用率很高。而這個(gè)系統(tǒng)的大功臣就是電池傳感器，有了它就能夠知道電池的狀態(tài)，從而為駕駛者下一步的動(dòng)作提供依據(jù)。

　　該電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一些非?？量痰囊螅枰獙⒁粋€(gè)傳感器安裝在電池部位去精確的檢測(cè)電池的電壓、電流和溫度，根據(jù)這些計(jì)算電池的電量狀態(tài)。極寬的電流范圍是很大的挑戰(zhàn)，汽車啟動(dòng)時(shí)的電流達(dá)到幾百安培的水平，而熄火的時(shí)候又只有幾十毫安，從幾百安到幾十毫安幾萬(wàn)倍的動(dòng)態(tài)范圍都得測(cè)。

　　一般是將檢流電阻安裝在電池充放電的回路里，電流流過(guò)產(chǎn)生非常小的電壓，幾毫安的時(shí)候電壓才是微伏級(jí)。這么小的信號(hào)很難檢測(cè)，所以需要將信號(hào)放大很多倍;而當(dāng)汽車正常行駛的時(shí)候電流又很大，這時(shí)檢流電阻上的電壓很大，所以電池傳感器要求有非常大的放大倍數(shù)和非常高的分辨率，并且因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍很大，16位的ADC不夠測(cè)量，還必須加上PGA，ADC與PGA兩者相結(jié)合，調(diào)整放大倍數(shù)，才能測(cè)量從毫安級(jí)到百安級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。