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)用實例，包括三個方面：安全氣囊、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、側(cè)翻的穩(wěn)定系統(tǒng)?！　?/p>

 

　　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)計原理都是基于用MEMS傳感器來檢測車的姿態(tài)。比如安全氣囊，當(dāng)碰撞發(fā)生的時候去檢測這個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傳感器不只是檢測信號，還作為一個決策者的角色而存在。

　　對于電子穩(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)彎時有一個角速度，當(dāng)這個角速度達(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)翻的趨勢也是一個角速度。這其中都會用到各種各樣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(dāng)汽車發(fā)生碰撞或者有姿態(tài)變化的時候，加速度就會帶來一個位移，這個位移就會帶來一個電信號的變化，具體來說是電容信號的變化。通過這樣的結(jié)構(gòu)，就把動作的趨勢轉(zhuǎn)化成了電信號的變化，沒有動作發(fā)生的時候，信號是0，當(dāng)有動作的發(fā)生的時候，就輸出信號，并且動作幅度越大，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(shù)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，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)，它包含一個驅(qū)動用以驅(qū)動機(jī)械MEMS的單元，然后再用交流做激勵，將動作發(fā)生時候差分的電信號進(jìn)行放大解調(diào)輸出，所以這是一個模擬的信號，當(dāng)外部動作帶來位移變化的時候，通過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傳感器變得越來越過時，新一代的傳感器設(shè)計面臨很多新的挑戰(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. 測量范圍的擴(kuò)大(即同樣的一個傳感器單元要能夠?qū)崿F(xiàn)低量程到高量程的自適應(yīng));

　　3. 輸出信號頻帶可選性(即位移發(fā)生時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信號);

　　4. 自測機(jī)制(傳感器是整個判斷機(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?那么這個決策如果錯了，不彈開，那后果可想而知，但是不該彈開的時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，所以可以非常方便的對其進(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為用戶提供了一個經(jīng)濟(jì)、高效的電池測量方案，可實現(xiàn)超高動態(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(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)控中有極高的市場占有率。

　　Start-Stop系統(tǒng)在汽車等紅燈的時候，將發(fā)動機(jī)熄滅，而當(dāng)綠燈亮的時候再點(diǎn)著，這樣做的目的是不讓發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)，還能省下很多油。這個應(yīng)用目前在歐洲的使用率很高。而這個系統(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作提供依據(jù)。

　　該電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計有一些非?？量痰囊?，需要將一個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(jù)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(zhàn)，汽車啟動時的電流達(dá)到幾百安培的水平，而熄火的時候又只有幾十毫安，從幾百安到幾十毫安幾萬倍的動態(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，電流流過產(chǎn)生非常小的電壓，幾毫安的時候電壓才是微伏級。這么小的信號很難檢測，所以需要將信號放大很多倍;而當(dāng)汽車正常行駛的時候電流又很大，這時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，并且因為動態(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(jié)合，調(diào)整放大倍數(shù)，才能測量從毫安級到百安級的動態(tài)范圍。