传感器设计面临新的挑战 - Σ-Δ型ADC造就新一代智能车用传感器

　　技术在不断的演进，上述老一代MEMS传感器变得越来越过时，新一代的传感器设计面临很多新的挑战，比如：

　　1. 数据输出的接口有标准的要求（模拟接口向数字接口转变）；数据安全性标准问题；

　　2. 测量范围的扩大（即同样的一个传感器单元要能够实现低量程到高量程的自适应）；

　　3. 输出信号频带可选性（即位移发生时候的信号是很多频率信号混杂在一起的，有高频的，有低频的，因为碰撞是一个综合事件。而安全气囊要不要弹开？这就需要去判断特定频带下的一个信号）；

　　4. 自测机制（传感器是整个判断机制的主要信息来源，根据传感器的数据来决定气囊是不是要弹开？那么这个决策如果错了，不弹开，那后果可想而知，但是不该弹开的时候弹开了后果也可想而知。所以传感器的数据必须可靠，所以必须有自测的功能）；

　　5. 温度的补偿；零点的补偿等也都非常重要。这些要求如果纯粹用纯模拟的器件完成，虽然可以把精度做的很高，例如使用非常高性能的运放、调理电路，但是没法做出灵活性和可重复性。

　　而新一代MEMS传感器集成Σ-Δ型ADC后，由于Σ-Δ架构输出的是数字信号，所以可以非常方便的对其进行零点校正、温度补偿等，所有这些任务都可以在Σ-Δ型ADC内部实现。

　　ADXRS800：集成16位Σ-Δ型ADC的汽车级角速度传感器

　　ADXRS800是一款极其稳定、振动抑制性能极高的创新型汽车级陀螺仪，适合汽车电子稳定性控制、侧翻检测和俯仰检测等应用。它集成了16位Σ-Δ型ADC，对线性加速度的抵御度为0.03°/s/g，振动校正特性为0.0002°/s/g2，+105°C时的噪声密度为0.02°/s/√Hz，整个工作温度范围内和产品寿命期间的零点失调偏差最大值仅为3°/s。

　　图4. ADXRS800：第一颗汽车用数字型角速度传感器。

　　ADXRS800的连续自测架构简化了故障检测算法，系统设计师可以将故障检测快速集成到设计中。其机电系统的完整性通过以下方法来检查：对传感结构施加一个高频静电力，以便与基带中的实际速率信号区分开来，然后滤除实际速率信号，使传感器输出不受干扰。

　　由于动态范围非常宽，ADXRS800能够检测高达±300°/s的角速率，同时在低端提供80 LSB/°/s的高分辨率。采用80 Hz滤波器时，噪声低至0.16°/s rms。角速率数据以16位字形式提供，作为32位串行外设接口（SPI）消息的一部分。

　　汽车电池监控系统中的用武之地

　　ADI公司集成了16位Σ-Δ型ADC、PGA、和处理器内核的精密传感器SoC ADuC703x为用户提供了一个经济、高效的电池测量方案，可实现超高动态范围和精度的电流测量、电压测量、和温度测量。ADuC703x不仅可配合监控器IC来进行新能源汽车电池的监控，还在传统汽车的电池监控中有极高的市场占有率。

　　Start-Stop系统在汽车等红灯的时候，将发动机熄灭，而当绿灯亮的时候再点着，这样做的目的是不让发动机空转，还能省下很多油。这个应用目前在欧洲的使用率很高。而这个系统的大功臣就是电池传感器，有了它就能够知道电池的状态，从而为驾驶者下一步的动作提供依据。

　　图5. Σ-Δ型ADC用于汽车电池监控系统。

　　该电池监控系统设计有一些非常苛刻的要求，需要将一个传感器安装在电池部位去精确的检测电池的电压、电流和温度，根据这些计算电池的电量状态。极宽的电流范围是很大的挑战，汽车启动时的电流达到几百安培的水平，而熄火的时候又只有几十毫安，从几百安到几十毫安几万倍的动态范围都得测。

　　一般是将检流电阻安装在电池充放电的回路里，电流流过产生非常小的电压，几毫安的时候电压才是微伏级。这么小的信号很难检测，所以需要将信号放大很多倍；而当汽车正常行驶的时候电流又很大，这时检流电阻上的电压很大，所以电池传感器要求有非常大的放大倍数和非常高的分辨率，并且因为动态范围很大，16位的ADC不够测量，还必须加上PGA，ADC与PGA两者相结合，调整放大倍数，才能测量从毫安级到百安级的动态范围。

　　如前所述，ADuC703x中加入了许多其他功能，如PGA、16位Σ-Δ型ADC、零点消除、零点斩波等。业内人士知道，一般单独的PGA、Σ-Δ型ADC性能优良较容易做到，它们整合起来真正做到高分辨率和高精度，是需要相当的技术实力的，尤其在如上述这么大动态范围情况下。ADuC703x用16位ADC就能检测到20mA的精度，这是目前业界最高水平。