汽車電子應(yīng)用中電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器容許利用容性傳感器的優(yōu)點(diǎn)，包括：簡(jiǎn)單的形狀適應(yīng)、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(diǎn)。

過去，汽車電子系統(tǒng)很少采用容性傳感器，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)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(jiǎn)單的形狀適應(yīng)能力和低的功耗卻是為它們的應(yīng)用提供動(dòng)機(jī)的有吸引力的屬性。新的測(cè)量技術(shù)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(duì)容性傳感器的分析通常是通過把它們的電容轉(zhuǎn)換為另一種物理變量—如電壓、時(shí)間或頻率—來進(jìn)行的。微觀上看，容性傳感器已經(jīng)在汽車中使用了很長(zhǎng)時(shí)間，微機(jī)電加速傳感器就是根據(jù)這個(gè)原理。這些傳感器常被用于檢測(cè)電荷轉(zhuǎn)移。

感應(yīng)電容的一種新方法是利用經(jīng)改良的sigma-delta轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)來檢測(cè)未知電容并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。本文介紹這種利用電容/數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器

為了形象地說明CDC方法，我們必須初步了解sigma-delta轉(zhuǎn)換的原理。下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的sigma-delta轉(zhuǎn)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(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)維持零值，小的短期跳躍將被轉(zhuǎn)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(shí)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(fù)參考上?！?”的密度通過后續(xù)的數(shù)字濾波器被轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)值。典型的sigma-delta轉(zhuǎn)換器將未知電壓與已知電壓比較，并利用兩個(gè)已知道（通常相等）電容來做到這一點(diǎn)。

實(shí)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(hào)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(zhuǎn)換器。

這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榕csigma-delta轉(zhuǎn)換器存在密切關(guān)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(duì)相對(duì)低頻的高分辨率和有成效地實(shí)現(xiàn)高精度。

Sigma-delta轉(zhuǎn)換器—幾乎沒有例外—都具有類似的輸入結(jié)構(gòu)，所以，人們可以針對(duì)特定的測(cè)量任務(wù)改變不同的特殊結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步考察上圖，可以清楚地發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)點(diǎn)。寄生電容對(duì)初始近似沒有任何影響。在節(jié)點(diǎn)A趨向零的寄生電容具有零電位；節(jié)點(diǎn)B不為零電位，但是，它通過一個(gè)已定義的低阻電位反饋，所以在該節(jié)點(diǎn)的寄生電容將充電到一個(gè)不影響已測(cè)量結(jié)果的平均值。從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的寄生電容總是平行于測(cè)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(zhuǎn)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(dá)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(cè)量電容和觸摸時(shí)的大電容變化。這種對(duì)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(huì)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?yàn)樗鼈兊娜葜当容^大），而且更易于出錯(cuò)并且長(zhǎng)期穩(wěn)定性也比較低。

電容器的容值可以其結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)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(zhì)的變化來測(cè)量電容的變化。大多傳感器采用兩種方法進(jìn)行分類：1. 根據(jù)金屬板幾何面積變化進(jìn)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(jìn)行分類，如接近傳感器或濕敏傳感器。

電介質(zhì)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(zhì)。隨著濕度的增加，越來越多的水分子被沉積下來，因此，εr會(huì)增加。確定液體純度的傳感器—如石油或燃油傳感器—本質(zhì)上由兩塊固定的極板構(gòu)成，以液體本身形成電介質(zhì)。所需要的液體特性由經(jīng)驗(yàn)來確定（也就是對(duì)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(zhì)變化的簡(jiǎn)單接近傳感器通常需要最為精密的測(cè)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(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，中間的介質(zhì)具有非常低的介電常數(shù)（接近1）。如果一個(gè)物體—如手—移動(dòng)到該電容的電場(chǎng)之中，電容就會(huì)發(fā)生變化。巨大的人體由90%以上的水份構(gòu)成，因此，具有非常高的介電常數(shù)（大約為50）。

非接觸開關(guān)非常易于使用，因此，有可能實(shí)現(xiàn)諸如無鑰點(diǎn)火或針對(duì)電動(dòng)窗的箝位保護(hù)等應(yīng)用。對(duì)于無鑰汽車的重要要求是最低可能的電流輸入，標(biāo)準(zhǔn)是小于100uA。因?yàn)閟igma-delta轉(zhuǎn)換器由業(yè)內(nèi)做了多年的優(yōu)化，因此是可用的合適架構(gòu)。

雨量傳感器也可以采用類似的方法來實(shí)現(xiàn)，它們的生產(chǎn)方便且具有成本效益，外形尺寸也有優(yōu)勢(shì)。但是，傳統(tǒng)的基于水滴光折射的雨量傳感器在風(fēng)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(dǎo)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(jiǎn)單地在固定極板之間移動(dòng)電介質(zhì)。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(huì)因彈性而改變極板之間的距離。

溫度傳感器因?yàn)榇嬖跓崤蛎?，需要考慮已改變的幾何尺寸。如果兩個(gè)電極之一被連接到芯片上，而另一個(gè)電極做在由金屬或陶瓷構(gòu)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(diǎn)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(yīng)用。

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

在所有方法中，sigma-delta技術(shù)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(shí)現(xiàn)所需要的動(dòng)態(tài)行為。例如，在液位傳感器中就需要超長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)，而接近傳感器必須適應(yīng)已變化的環(huán)境條件，例如，用于感應(yīng)雨量或結(jié)冰。

一種可選方法

一種根據(jù)完全不同的、稍微更復(fù)雜的方法的技術(shù)也管用。一方面，它可以被用于測(cè)量復(fù)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(lì)。直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)對(duì)此就是理想的。

在此，通過快速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和快速付立葉分析，可以把傳感器的響應(yīng)記錄下來。采用DDS方法，原始的相位位置在任何時(shí)間都精確已知。以相同的方式，可以測(cè)量對(duì)其它頻率的響應(yīng)。從這里可以計(jì)算阻抗的實(shí)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(jì)算阻抗的實(shí)部和虛部。

該網(wǎng)絡(luò)分析儀電路可被用于測(cè)量容性和感性傳感器以及記憶運(yùn)動(dòng)或測(cè)量液體粘性—如引擎或潤(rùn)滑油—的傳感器。

本文小結(jié)

容性傳感器在汽車中正經(jīng)歷一場(chǎng)復(fù)興，新的方法已經(jīng)在壓力、液位、濕度、雨量和接近傳感器的應(yīng)用中嶄露頭角。采用sigma-delta技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出提供不同動(dòng)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(jīng)被用于若干汽車應(yīng)用之中，并正被用于許多其它的應(yīng)用之中。

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