汽车电子应用中电容/数字转换器测量系统的设计

电容/数字转换器容许利用容性传感器的优点，包括：简单的形状适应、低的功耗和有利的制造成本以及便于控制和读出的优点。

过去，汽车电子系统很少采用容性传感器，因为它们被认为难以控制、难以读出、容易老化且易受温度影响；另一方面，它们有利的制造成本、简单的形状适应能力和低的功耗却是为它们的应用提供动机的有吸引力的属性。新的测量技术的出现，使汽车中容性传感器的数据急剧增加。

面临的挑战

宏观上看，对容性传感器的分析通常是通过把它们的电容转换为另一种物理变量—如电压、时间或频率—来进行的。微观上看，容性传感器已经在汽车中使用了很长时间，微机电加速传感器就是根据这个原理。这些传感器常被用于检测电荷转移。

感应电容的一种新方法是利用经改良的sigma-delta转换器的输入级来检测未知电容并将其转换为数字值。本文介绍这种利用电容/数字转换器（CDC）的方法，以及若干可被用于汽车中的容性传感器原理。最后，概要介绍一种可选的方法。

电容/数字转换器

为了形象地说明CDC方法，我们必须初步了解sigma-delta转换的原理。下面是一个简化的sigma-delta转换器图。

为了清楚地掌握其工作原理，我们首先看积分器的输入；它必须在长的时间间隔内维持零值，小的短期跳跃将被转换为斜波。通过把参考分支的输出提升到与输入分支一样的电平，可以实现零均值；它依次受到比较器输出的影响。这就把参考切换为具有逻辑“1”的后续电容。

电容被充电并施加到积分器的反向端，以便反向参考电压被施加到积分器上。在输入端的高电压因此引起大量的逻辑“1”，这些逻辑“1”依次频繁地作用在负参考上。“1”的密度通过后续的数字滤波器被转换为数字数值。典型的sigma-delta转换器将未知电压与已知电压比较，并利用两个已知道（通常相等）电容来做到这一点。

实际上，比较的是电荷，因此，如果两电压为已知（在这种情形下采用的是相等的电压），电容可以采用Q=C*V来比较。同步电压信号也必须被施加在输入分支，如下图所示就是这种电容/数字转换器。

这种方法有几个优点。因为与sigma-delta转换器存在密切关系，人们可以修改和采用它们众所周知的特性，这些特性包括：高噪声抑制能力、对相对低频的高分辨率和有成效地实现高精度。

Sigma-delta转换器—几乎没有例外—都具有类似的输入结构，所以，人们可以针对特定的测量任务改变不同的特殊结构，例如，特别低的电流输入、最大精度或较高的截止频率。

如果我们进一步考察上图，可以清楚地发现更多的优点。寄生电容对初始近似没有任何影响。在节点A趋向零的寄生电容具有零电位；节点B不为零电位，但是，它通过一个已定义的低阻电位反馈，所以在该节点的寄生电容将充电到一个不影响已测量结果的平均值。从节点A到节点B的寄生电容总是平行于测量单元，并且总是以偏移量的形式出现。

可用的电容/数字转换器可以提供非常高的性能。例如，模拟器件公司提供的AD7745就达到了24位分辨率和16位精度。

容性传感器

过去的电容分析系统需要比较大的测量电容和触摸时的大电容变化。这种对足够大变化的要求常常给传感器制造商带来麻烦，而较小的电容传感器就不会出现这些问题。例如，典型的150pF湿敏传感器不仅非常昂贵（因为它们的容值比较大），而且更易于出错并且长期稳定性也比较低。

电容器的容值可以其结构为基础进行计算：

C = εoεr A/d

其中，εo是自由空间的介电常数，εr是材料的介电常数，A是稳定的金属板面积，而d是两电极之间的距离。除了若干例外情况之外，如压力传感器，所有容性传感器都利用金属板表面或电介质的变化来测量电容的变化。大多传感器采用两种方法进行分类：1. 根据金属板几何面积变化进行分类，如液位传感或位移传感器；2. 根据材料的介电常数εr的变化进行分类，如接近传感器或湿敏传感器。

电介质传感器的典型例子是湿敏传感器，它采用湿敏聚合体层作为电介质。随着湿度的增加，越来越多的水分子被沉积下来，因此，εr会增加。确定液体纯度的传感器—如石油或燃油传感器—本质上由两块固定的极板构成，以液体本身形成电介质。所需要的液体特性由经验来确定（也就是对石油或燃油中所增加的水分子）。温度发挥决定性的作用并且也必须可靠地确定下来。确定电介质变化的简单接近传感器通常需要最为精密的测量电子系统。

在大多数情形下，接近传感器由电路板上的两个导体构成，中间的介质具有非常低的介电常数（接近1）。如果一个物体—如手—移动到该电容的电场之中，电容就会发生变化。巨大的人体由90%以上的水份构成，因此，具有非常高的介电常数（大约为50）。

非接触开关非常易于使用，因此，有可能实现诸如无钥点火或针对电动窗的箝位保护等应用。对于无钥汽车的重要要求是最低可能的电流输入，标准是小于100uA。因为sigma-delta转换器由业内做了多年的优化，因此是可用的合适架构。

雨量传感器也可以采用类似的方法来实现，它们的生产方便且具有成本效益，外形尺寸也有优势。但是，传统的基于水滴光折射的雨量传感器在风档玻璃上具有非常小的有源面积，这样就减小了系统的灵敏度并一再导致干刮和雨刮失效的问题。

几何变化型传感器

依赖几何尺寸变化的传感器的例子有压力传感器、液位传感器和位移传感器，它们都简单地在固定极板之间移动电介质。压力传感器利用两块固定面积的极板作为隔膜；压力作用在传感器上就会因弹性而改变极板之间的距离。

温度传感器因为存在热膨胀，需要考虑已改变的几何尺寸。如果两个电极之一被连接到芯片上，而另一个电极做在由金属或陶瓷构成的外壳上，外壳本身因此起到传感器的作用。例如，陶瓷传感器可以承受非常高的压力和迅速蔓延的媒介。与典型的惠斯通电桥相比，电容压力传感器的主要优点是要求小的输入电流，使它们特别适合于诸如胎压控制之类的应用。

在液位传感器中，一对固定的极板被浸入液体中待测。制造商能够以非常低的成本实现印刷导体。第二对极板被附着在底部区域，让电介质因温度或其它被检测效应而变化，如下图所示。

在所有方法中，sigma-delta技术被证明格外受欢迎。在许多情形下，随处都需要的数字滤波器可以被用于实现所需要的动态行为。例如，在液位传感器中就需要超长时间常数，而接近传感器必须适应已变化的环境条件，例如，用于感应雨量或结冰。

一种可选方法

一种根据完全不同的、稍微更复杂的方法的技术也管用。一方面，它可以被用于测量复杂的阻抗，包括感性、阻容性或阻感性传感器。在这种情形下，传感器由非常精确的已知频率来激励。直接数字合成（DDS）技术对此就是理想的。

在此，通过快速模拟/数字转换器和快速付立叶分析，可以把传感器的响应记录下来。采用DDS方法，原始的相位位置在任何时间都精确已知。以相同的方式，可以测量对其它频率的响应。从这里可以计算阻抗的实部和虚部，然后，输出到数字总线上。完整的扫描只要几百毫秒。该图描述了DDS方法。

DDS方法计算阻抗的实部和虚部。

该网络分析仪电路可被用于测量容性和感性传感器以及记忆运动或测量液体粘性—如引擎或润滑油—的传感器。

本文小结

容性传感器在汽车中正经历一场复兴，新的方法已经在压力、液位、湿度、雨量和接近传感器的应用中崭露头角。采用sigma-delta技术能够设计出提供不同动态范围和精密要求的灵活的解决方案，并使传感器系统具有格外低的功耗要求。CDC器件已经被用于若干汽车应用之中，并正被用于许多其它的应用之中。

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