Σ-Δ型ADC造就新一代智能車(chē)用傳感器

　　對于汽車(chē)中電子器件，人們很容易一下子列舉出MCU、大量的傳感器、驅動(dòng)部件等，似乎很難想起“不太起眼”的模數轉換器（ADC）。事實(shí)上，ADC特別是Σ-Δ型ADC分布在汽車(chē)的各個(gè)角落中。ADC正在使傳統意義上的傳感器變得不再傳統，傳統意義上的傳感器通常擔當的是信號調整的角色，即將客觀(guān)世界中一些非常微小的小信號轉換成可以被電子器件識別的電信號，但是現在的技術(shù)趨勢是這些傳統的純模擬的傳感器內部正在越來(lái)越多的引入數字處理的部分，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)在模擬信號采集和數字后處理要求的兩個(gè)方面考察傳感器和轉換器，這不僅可以使轉換器“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(chē)應用為何青睞Σ-Δ型ADC

　　Σ-Δ型ADC通常被認為是最復雜的模數轉換器架構，它的模擬部分非常簡(jiǎn)單（類(lèi)似于一個(gè)1bit ADC），而數字部分則要復雜得多，它綜合運用獨特的“采樣”與“降噪”技術(shù)，按照功能劃分為數字濾波和抽取單元。由于Σ-Δ型ADC更接近于一個(gè)數字器件，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(guò)速度較低（10-480 KSPS）。由于采用高倍率過(guò)采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波、前置放大的要求，實(shí)際上取消了信號調理，所以非常適合測量來(lái)自應變計、熱電偶和電阻溫度傳感器等傳感器的小信號而無(wú)需采樣保持放大器或增益調整放大器。

　　由于集成度的增加，先進(jìn)的“數字傳感器”產(chǎn)品具有各種各樣的設計優(yōu)勢或更加“智能”。ADC可以使用內部校準和線(xiàn)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)生片內傳感器激勵信號；數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，然后重新配置以從相同的傳感器讀取一個(gè)不同的信號。ADC內置溫度監控功能并根據溫度調節轉換器輸出，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，同樣也結合了數據傳感器來(lái)感應慣性和旋轉運動(dòng)，非常適用于汽車(chē)安全及穩定控制系統等一系列汽車(chē)應用場(chǎng)合?？傊?，這意味著(zhù)設計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。

　　引入數字處理的部分使汽車(chē)電子系統可以實(shí)現一些非常先進(jìn)非常有用的功能，這些功能包括零點(diǎn)消除、自診斷、濾波頻段的設定、量程可調等。而Σ-Δ型ADC之所以能在這其中擔當重要角色，主要緣于它的架構。

　　圖2.各種ADC架構比較。

　　如上圖2所示為各種架構的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(jìn)行數字化處理的工業(yè)領(lǐng)域）的主要類(lèi)型是Σ-Δ型；當前處理高速信號的模數轉換器大多是流水線(xiàn)型。

　　我們先來(lái)看一輛汽車(chē)對ADC動(dòng)態(tài)范圍和分辨率的要求。汽車(chē)應用中通常要處理大的動(dòng)態(tài)范圍的信號，例如如果要檢測電池的電量，當發(fā)動(dòng)機熄火時(shí)，這時(shí)待機電流只有幾十毫安，而當起動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)，工作電流可以達到幾百安，相差將近10萬(wàn)倍，要檢測這么大的動(dòng)態(tài)范圍的信號，當然需要具有大的動(dòng)態(tài)范圍和非常高分辨率的ADC架構了。Σ-Δ型具有的寬動(dòng)態(tài)范圍非常適合這一應用。除此之外，Σ-Δ型ADC高分辨率的特性還非常適合于汽車(chē)的安全應用。

　　雖然Σ-Δ型ADC相比其它架構的ADC速度并不高，但這并不影響它在汽車(chē)中的應用。如對于車(chē)輛側翻的檢測，汽車(chē)一側輪胎在開(kāi)始抬起時(shí)候的角速度并不高。

　　Σ-Δ型ADC在汽車(chē)安全系統中的應用

　　圖3體現了Σ-Δ型ADC在MEMS傳感器中的應用實(shí)例，包括三個(gè)方面：安全氣囊、電子穩定系統、側翻的穩定系統。

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

　　無(wú)論是安全氣囊還是電子穩定系統或者側翻的穩定系統，其系統設計原理都是基于用MEMS傳感器來(lái)檢測車(chē)的姿態(tài)。比如安全氣囊，當碰撞發(fā)生的時(shí)候去檢測這個(gè)碰撞所帶來(lái)位移的加速度和減速度，當加速度達到一定程度，才能判斷這是一個(gè)碰撞，而不是汽車(chē)本身的剎車(chē)帶來(lái)的減速度，這里的MEMS傳感器不只是檢測信號，還作為一個(gè)決策者的角色而存在。

　　對于電子穩定系統，則要判斷汽車(chē)在雪地上的轉彎是不是還帶有側滑，汽車(chē)轉彎時(shí)有一個(gè)角速度，當這個(gè)角速度達到一定的水平就是異常的側滑而不是車(chē)輛本身的轉彎。而側翻的趨勢也是一個(gè)角速度。這其中都會(huì )用到各種各樣MEMS傳感器，如加速度計和陀螺儀。

　　這些MEMS傳感器由許多非常微小的微米級的小彈片組成，如上圖3。當汽車(chē)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)電信號的變化，具體來(lái)說(shuō)是電容信號的變化。通過(guò)這樣的結構，就把動(dòng)作的趨勢轉化成了電信號的變化，沒(méi)有動(dòng)作發(fā)生的時(shí)候，信號是0，當有動(dòng)作的發(fā)生的時(shí)候，就輸出信號，并且動(dòng)作幅度越大，電信號也越大。

　　但是，MEMS傳感器檢測的電信號是非常微弱的，這就需要將它放大，然后才能用一定采樣位數的轉換器轉換成數字信號輸出，再送給單片機或處理器進(jìn)行分析，才能得到具體的加速度數值。這就是傳統的老一代MEMS傳感器的架構，它包含一個(gè)驅動(dòng)用以驅動(dòng)機械MEMS的單元，然后再用交流做激勵，將動(dòng)作發(fā)生時(shí)候差分的電信號進(jìn)行放大解調輸出，所以這是一個(gè)模擬的信號，當外部動(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)，新一代的傳感器設計面臨很多新的挑戰，比如：

　　1. 數據輸出的接口有標準的要求（模擬接口向數字接口轉變）；數據安全性標準問(wèn)題；

　　2. 測量范圍的擴大（即同樣的一個(gè)傳感器單元要能夠實(shí)現低量程到高量程的自適應）；

　　3. 輸出信號頻帶可選性（即位移發(fā)生時(shí)候的信號是很多頻率信號混雜在一起的，有高頻的，有低頻的，因為碰撞是一個(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）；

　　4. 自測機制（傳感器是整個(gè)判斷機制的主要信息來(lái)源，根據傳感器的數據來(lái)決定氣囊是不是要彈開(kāi)？那么這個(gè)決策如果錯了，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。所以傳感器的數據必須可靠，所以必須有自測的功能）；

　　5. 溫度的補償；零點(diǎn)的補償等也都非常重要。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放、調理電路，但是沒(méi)法做出靈活性和可重復性。

　　而新一代MEMS傳感器集成Σ-Δ型ADC后，由于Σ-Δ架構輸出的是數字信號，所以可以非常方便的對其進(jìn)行零點(diǎn)校正、溫度補償等，所有這些任務(wù)都可以在Σ-Δ型ADC內部實(shí)現。

　　ADXRS800：集成16位Σ-Δ型ADC的汽車(chē)級角速度傳感器

　　ADXRS800是一款極其穩定、振動(dòng)抑制性能極高的創(chuàng )新型汽車(chē)級陀螺儀，適合汽車(chē)電子穩定性控制、側翻檢測和俯仰檢測等應用。它集成了16位Σ-Δ型ADC，對線(xiàn)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)工作溫度范圍內和產(chǎn)品壽命期間的零點(diǎn)失調偏差最大值僅為3°/s。

　　圖4. ADXRS800：第一顆汽車(chē)用數字型角速度傳感器。

　　ADXRS800的連續自測架構簡(jiǎn)化了故障檢測算法，系統設計師可以將故障檢測快速集成到設計中。其機電系統的完整性通過(guò)以下方法來(lái)檢查：對傳感結構施加一個(gè)高頻靜電力，以便與基帶中的實(shí)際速率信號區分開(kāi)來(lái)，然后濾除實(shí)際速率信號，使傳感器輸出不受干擾。

　　由于動(dòng)態(tài)范圍非常寬，ADXRS800能夠檢測高達±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。角速率數據以16位字形式提供，作為32位串行外設接口（SPI）消息的一部分。

　　汽車(chē)電池監控系統中的用武之地

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

　　Start-Stop系統在汽車(chē)等紅燈的時(shí)候，將發(fā)動(dòng)機熄滅，而當綠燈亮的時(shí)候再點(diǎn)著(zhù)，這樣做的目的是不讓發(fā)動(dòng)機空轉，還能省下很多油。這個(gè)應用目前在歐洲的使用率很高。而這個(gè)系統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。

　　圖5. Σ-Δ型ADC用于汽車(chē)電池監控系統。

　　該電池監控系統設計有一些非?？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電池的電壓、電流和溫度，根據這些計算電池的電量狀態(tài)。極寬的電流范圍是很大的挑戰，汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)的電流達到幾百安培的水平，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。

　　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。這么小的信號很難檢測，所以需要將信號放大很多倍；而當汽車(chē)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和非常高的分辨率，并且因為動(dòng)態(tài)范圍很大，16位的ADC不夠測量，還必須加上PGA，ADC與PGA兩者相結合，調整放大倍數，才能測量從毫安級到百安級的動(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)內人士知道，一般單獨的PGA、Σ-Δ型ADC性能優(yōu)良較容易做到，它們整合起來(lái)真正做到高分辨率和高精度，是需要相當的技術(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就能檢測到20mA的精度，這是目前業(yè)界最高水平。