Σ-Δ型ADC造就新一代智能車用傳感器

　　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(jìn)行融合，來優(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），不過速度較低（10-480 KSPS）。由于采用高倍率過采樣技術(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“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。

　　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)。

　　圖2.各種ADC架構(gòu)比較。

　　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)輪胎在開始抬起時(shí)候的角速度并不高。

　　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)。

　　圖3. 集成了Σ-Δ型ADC的MEMS傳感器用于汽車安全系統(tǒng)。

　　無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)帶來一個(gè)位移，這個(gè)位移就會(huì)帶來一個(gè)電信號(hào)的變化，具體來說是電容信號(hào)的變化。通過這樣的結(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)作帶來位移變化的時(shí)候，通過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傳感器變得越來越過時(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？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)制的主要信息來源，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)來決定氣囊是不是要彈開？那么這個(gè)決策如果錯(cuò)了，不彈開，那后果可想而知，但是不該彈開的時(shí)候彈開了后果也可想而知。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)龋羞@些任務(wù)都可以在Σ-Δ型ADC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

　　ADXRS800：集成16位Σ-Δ型ADC的汽車級(jí)角速度傳感器

　　ADXRS800是一款極其穩(wěn)定、振動(dòng)抑制性能極高的創(chuàng)新型汽車級(jí)陀螺儀，適合汽車電子穩(wěn)定性控制、側(cè)翻檢測(cè)和俯仰檢測(cè)等應(yīng)用。它集成了16位Σ-Δ型ADC，對(duì)線性加速度的抵御度為0.03°/s/g，振動(dòng)校正特性為0.0002°/s/g2，+105°C時(shí)的噪聲密度為0.02°/s/√Hz，整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和產(chǎn)品壽命期間的零點(diǎn)失調(diào)偏差最大值僅為3°/s。

　　圖4. ADXRS800：第一顆汽車用數(shù)字型角速度傳感器。

　　ADXRS800的連續(xù)自測(cè)架構(gòu)簡(jiǎn)化了故障檢測(cè)算法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以將故障檢測(cè)快速集成到設(shè)計(jì)中。其機(jī)電系統(tǒng)的完整性通過以下方法來檢查：對(duì)傳感結(jié)構(gòu)施加一個(gè)高頻靜電力，以便與基帶中的實(shí)際速率信號(hào)區(qū)分開來，然后濾除實(shí)際速率信號(hào)，使傳感器輸出不受干擾。

　　由于動(dòng)態(tài)范圍非常寬，ADXRS800能夠檢測(cè)高達(dá)±300°/s的角速率，同時(shí)在低端提供80 LSB/°/s的高分辨率。采用80 Hz濾波器時(shí)，噪聲低至0.16°/s rms。角速率數(shù)據(jù)以16位字形式提供，作為32位串行外設(shè)接口（SPI）消息的一部分。

　　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、PGA、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)。

　　圖5. Σ-Δ型ADC用于汽車電池監(jiān)控系統(tǒng)。

　　該電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一些非?？量痰囊?，需要將一個(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。

　　如前所述，ADuC703x中加入了許多其他功能，如PGA、16位Σ-Δ型ADC、零點(diǎn)消除、零點(diǎn)斬波等。業(yè)內(nèi)人士知道，一般單獨(dú)的PGA、Σ-Δ型ADC性能優(yōu)良較容易做到，它們整合起來真正做到高分辨率和高精度，是需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實(shí)力的，尤其在如上述這么大動(dòng)態(tài)范圍情況下。ADuC703x用16位ADC就能檢測(cè)到20mA的精度，這是目前業(yè)界最高水平。