电容传感器在汽车中的应用

过去,由于被认为具有难以控制、不易读取、易于老化和温度要求严格等特点,电容传感器很少用于汽车电子之中。但另一方面,它们也具有生产成本较低、外形适应简单、功耗低等特性,从而推动了它们的应用。如今,一种新型测量技术的出现,使得汽车中电容传感器的应用数量大幅增长。

宏观上讲,电容传感器通常是通过将电容转换成电压、时间或者频率等另一种物理变量来进行分析。而在微观上,电容传感器已经长期用于汽车之中;微机械加速度传感器就是基于这个原理设计的。这些经常用来检测电荷转移。

一种用于探测电容的新方法采用改进后的Σ-Δ转换器的输入级来检测出未知的电容,并将其转换成数字信号。这种方法使用了电容数字转换器(CDC),在本文中要与几个可以用于汽车的电容传感器原理一起阐述说明。文末也会概要说明另一种可选方法。

电容数字转换器

要形象描述CDC,我们必须对Σ-Δ转换器原理作一番介绍。图1是Σ-Δ转换器的简图。

为了清楚地了解其工作过程,首先我们看积分器的输入,经过长时间间隔后,该值必须保持为零。短时间微小的阶跃信号会转变成斜坡信号。通过将基准支路的输出提高到与输入支路的值相同来达到零平均值,反过来这还受到比较器输出的影响。这将参考点转变成具有逻辑1的并联电容。

电容充电然后反过来提供给积分器,这样积分器得到一个负的参考电压。因此输入端的高压导致大量逻辑部分,它们反过来频繁地运用(负)参考电压。密度通过下面的数字滤波转换成一个数字化的数值。经典的Σ-Δ转换器将未知的电压与已知的电压相比较,即采用两个已知的电容(通常相等)来作此比较。

事实上是对电荷进行比较,因此电容可以用公式Q=C*V来比较,如果两个电压都已知(在此取相同的电压值)。同步电压信号也必须提供给输入支路,图2显示的是电容数字转换器。

这种方法带来了很多好处。由于与Σ-Δ转换器的关系密切,其众所周知的特性可以改进并采纳,这些特性包括高噪声抑制、低频时的高分辨率,以及能经济有效地实现高精确度。Σ-Δ转换器,几乎没有例外,具有一个相似的输入结构,因此不同的特别结构可以适用于特殊的测量任务,例如极低的电流输入、最大准确性或者更高的截止频率。

如果我们仔细地审视图2,可以清楚看到更多的优点。寄生电容在最初的近似值中不扮演任何角色。一个在节点A趋向于零的寄生电容具有零电位。节点B不为零,但是它由一个确定的低阻抗电位充电,因此在该节点的寄生电容将充电到一个平均值而不影响测量结果。节点A到B的寄生电容总是与测量元件并联,并且通常会出现一个偏移量。

现有的电容数字转换器能提供非常好的性能。例如ADI的AD7745可达到24位分辨率和16位精度。

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