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?a target="_blank">信號(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。總之，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。