汽車電子應用中電容/數(shù)字轉換器測量系統(tǒng)的設計

電容/數(shù)字轉換器容許利用容性傳感器的優(yōu)點，包括：簡單的形狀適應、低的功耗和有利的制造成本以及便于控制和讀出的優(yōu)點。

過去，汽車電子系統(tǒng)很少采用容性傳感器，因為它們被認為難以控制、難以讀出、容易老化且易受溫度影響；另一方面，它們有利的制造成本、簡單的形狀適應能力和低的功耗卻是為它們的應用提供動機的有吸引力的屬性。新的測量技術的出現(xiàn)，使汽車中容性傳感器的數(shù)據(jù)急劇增加。

面臨的挑戰(zhàn)

宏觀上看，對容性傳感器的分析通常是通過把它們的電容轉換為另一種物理變量—如電壓、時間或頻率—來進行的。微觀上看，容性傳感器已經在汽車中使用了很長時間，微機電加速傳感器就是根據(jù)這個原理。這些傳感器常被用于檢測電荷轉移。

感應電容的一種新方法是利用經改良的sigma-delta轉換器的輸入級來檢測未知電容并將其轉換為數(shù)字值。本文介紹這種利用電容/數(shù)字轉換器（CDC）的方法，以及若干可被用于汽車中的容性傳感器原理。最后，概要介紹一種可選的方法。

電容/數(shù)字轉換器

為了形象地說明CDC方法，我們必須初步了解sigma-delta轉換的原理。下面是一個簡化的sigma-delta轉換器圖。

為了清楚地掌握其工作原理，我們首先看積分器的輸入；它必須在長的時間間隔內維持零值，小的短期跳躍將被轉換為斜波。通過把參考分支的輸出提升到與輸入分支一樣的電平，可以實現(xiàn)零均值；它依次受到比較器輸出的影響。這就把參考切換為具有邏輯“1”的后續(xù)電容。

電容被充電并施加到積分器的反向端，以便反向參考電壓被施加到積分器上。在輸入端的高電壓因此引起大量的邏輯“1”，這些邏輯“1”依次頻繁地作用在負參考上。“1”的密度通過后續(xù)的數(shù)字濾波器被轉換為數(shù)字數(shù)值。典型的sigma-delta轉換器將未知電壓與已知電壓比較，并利用兩個已知道（通常相等）電容來做到這一點。

實際上，比較的是電荷，因此，如果兩電壓為已知（在這種情形下采用的是相等的電壓），電容可以采用Q=C*V來比較。同步電壓信號也必須被施加在輸入分支，如下圖所示就是這種電容/數(shù)字轉換器。

這種方法有幾個優(yōu)點。因為與sigma-delta轉換器存在密切關系，人們可以修改和采用它們眾所周知的特性，這些特性包括：高噪聲抑制能力、對相對低頻的高分辨率和有成效地實現(xiàn)高精度。

Sigma-delta轉換器—幾乎沒有例外—都具有類似的輸入結構，所以，人們可以針對特定的測量任務改變不同的特殊結構，例如，特別低的電流輸入、最大精度或較高的截止頻率。

如果我們進一步考察上圖，可以清楚地發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)點。寄生電容對初始近似沒有任何影響。在節(jié)點A趨向零的寄生電容具有零電位；節(jié)點B不為零電位，但是，它通過一個已定義的低阻電位反饋，所以在該節(jié)點的寄生電容將充電到一個不影響已測量結果的平均值。從節(jié)點A到節(jié)點B的寄生電容總是平行于測量單元，并且總是以偏移量的形式出現(xiàn)。

可用的電容/數(shù)字轉換器可以提供非常高的性能。例如，模擬器件公司提供的AD7745就達到了24位分辨率和16位精度。

容性傳感器

過去的電容分析系統(tǒng)需要比較大的測量電容和觸摸時的大電容變化。這種對足夠大變化的要求常常給傳感器制造商帶來麻煩，而較小的電容傳感器就不會出現(xiàn)這些問題。例如，典型的150pF濕敏傳感器不僅非常昂貴（因為它們的容值比較大），而且更易于出錯并且長期穩(wěn)定性也比較低。

電容器的容值可以其結構為基礎進行計算：

C = εoεr A/d

其中，εo是自由空間的介電常數(shù)，εr是材料的介電常數(shù)，A是穩(wěn)定的金屬板面積，而d是兩電極之間的距離。除了若干例外情況之外，如壓力傳感器，所有容性傳感器都利用金屬板表面或電介質的變化來測量電容的變化。大多傳感器采用兩種方法進行分類：1. 根據(jù)金屬板幾何面積變化進行分類，如液位傳感或位移傳感器；2. 根據(jù)材料的介電常數(shù)εr的變化進行分類，如接近傳感器或濕敏傳感器。

電介質傳感器的典型例子是濕敏傳感器，它采用濕敏聚合體層作為電介質。隨著濕度的增加，越來越多的水分子被沉積下來，因此，εr會增加。確定液體純度的傳感器—如石油或燃油傳感器—本質上由兩塊固定的極板構成，以液體本身形成電介質。所需要的液體特性由經驗來確定（也就是對石油或燃油中所增加的水分子）。溫度發(fā)揮決定性的作用并且也必須可靠地確定下來。確定電介質變化的簡單接近傳感器通常需要最為精密的測量電子系統(tǒng)。

在大多數(shù)情形下，接近傳感器由電路板上的兩個導體構成，中間的介質具有非常低的介電常數(shù)（接近1）。如果一個物體—如手—移動到該電容的電場之中，電容就會發(fā)生變化。巨大的人體由90%以上的水份構成，因此，具有非常高的介電常數(shù)（大約為50）。

非接觸開關非常易于使用，因此，有可能實現(xiàn)諸如無鑰點火或針對電動窗的箝位保護等應用。對于無鑰汽車的重要要求是最低可能的電流輸入，標準是小于100uA。因為sigma-delta轉換器由業(yè)內做了多年的優(yōu)化，因此是可用的合適架構。

雨量傳感器也可以采用類似的方法來實現(xiàn)，它們的生產方便且具有成本效益，外形尺寸也有優(yōu)勢。但是，傳統(tǒng)的基于水滴光折射的雨量傳感器在風檔玻璃上具有非常小的有源面積，這樣就減小了系統(tǒng)的靈敏度并一再導致干刮和雨刮失效的問題。

幾何變化型傳感器

依賴幾何尺寸變化的傳感器的例子有壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器，它們都簡單地在固定極板之間移動電介質。壓力傳感器利用兩塊固定面積的極板作為隔膜；壓力作用在傳感器上就會因彈性而改變極板之間的距離。

溫度傳感器因為存在熱膨脹，需要考慮已改變的幾何尺寸。如果兩個電極之一被連接到芯片上，而另一個電極做在由金屬或陶瓷構成的外殼上，外殼本身因此起到傳感器的作用。例如，陶瓷傳感器可以承受非常高的壓力和迅速蔓延的媒介。與典型的惠斯通電橋相比，電容壓力傳感器的主要優(yōu)點是要求小的輸入電流，使它們特別適合于諸如胎壓控制之類的應用。

在液位傳感器中，一對固定的極板被浸入液體中待測。制造商能夠以非常低的成本實現(xiàn)印刷導體。第二對極板被附著在底部區(qū)域，讓電介質因溫度或其它被檢測效應而變化，如下圖所示。

在所有方法中，sigma-delta技術被證明格外受歡迎。在許多情形下，隨處都需要的數(shù)字濾波器可以被用于實現(xiàn)所需要的動態(tài)行為。例如，在液位傳感器中就需要超長時間常數(shù)，而接近傳感器必須適應已變化的環(huán)境條件，例如，用于感應雨量或結冰。

一種可選方法

一種根據(jù)完全不同的、稍微更復雜的方法的技術也管用。一方面，它可以被用于測量復雜的阻抗，包括感性、阻容性或阻感性傳感器。在這種情形下，傳感器由非常精確的已知頻率來激勵。直接數(shù)字合成（DDS）技術對此就是理想的。

在此，通過快速模擬/數(shù)字轉換器和快速付立葉分析，可以把傳感器的響應記錄下來。采用DDS方法，原始的相位位置在任何時間都精確已知。以相同的方式，可以測量對其它頻率的響應。從這里可以計算阻抗的實部和虛部，然后，輸出到數(shù)字總線上。完整的掃描只要幾百毫秒。該圖描述了DDS方法。

DDS方法計算阻抗的實部和虛部。

該網(wǎng)絡分析儀電路可被用于測量容性和感性傳感器以及記憶運動或測量液體粘性—如引擎或潤滑油—的傳感器。

本文小結

容性傳感器在汽車中正經歷一場復興，新的方法已經在壓力、液位、濕度、雨量和接近傳感器的應用中嶄露頭角。采用sigma-delta技術能夠設計出提供不同動態(tài)范圍和精密要求的靈活的解決方案，并使傳感器系統(tǒng)具有格外低的功耗要求。CDC器件已經被用于若干汽車應用之中，并正被用于許多其它的應用之中。

責任編輯：gt