1 TI 技術(shù)手冊

引言

ADAS、車身電子裝置、動力總成等汽車系統(tǒng)需要用到精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。對于每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，在測量汽車信號時(shí)，通常都需要一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓 (VREF) 以便誤差盡可能低。許多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以合并內(nèi)部基準(zhǔn)，但在 CMOS 技術(shù)中很難找到一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓能夠達(dá)到雙極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數(shù)字處理中更為復(fù)雜，由于存在各種固有的時(shí)鐘噪聲，內(nèi)部基準(zhǔn)往往會有噪聲。因此，通常需要使用外部基準(zhǔn)電壓來進(jìn)行更精確的測量。

圖 1-1 簡化的 ADAS 前置攝像頭示意圖

用于監(jiān)控 1% 1V 電壓軌的基準(zhǔn)電壓

在汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 中，監(jiān)控 MCU/DSP/FPGA 中使用的電壓軌非常重要。通過 ADC 和電壓監(jiān)控器組合來獨(dú)立監(jiān)控電壓軌，確保電壓軌不會超過可能導(dǎo)致欠壓或過壓事件（可能損壞 MCU/DSP/FPGA）的某個(gè)電壓。通常，這些 ADC 在微控制器 (MCU) 內(nèi)部，用于確保電壓軌正常工作。在 MCU 上連接一個(gè)外部 VREF 以保證精度，并確保內(nèi)部 ADC 有一個(gè)冗余的基準(zhǔn)電壓以保證穩(wěn)健性，這種情況并不罕見。通過添加一個(gè)外部 VREF，有可能得到一個(gè)精確的 ADC，不需要校準(zhǔn)就可以監(jiān)控 1% 1V 電壓軌。

圖 1-2 帶 MCU 的 REF3430-Q1

為了確保系統(tǒng)符合誤差規(guī)格，務(wù)必要對信號鏈進(jìn)行表征以了解電壓軌誤差，這一點(diǎn)非常重要。電壓軌誤差日趨嚴(yán)格，因?yàn)樵试S的總誤差一直在減小，從而可以打造出一個(gè)更優(yōu)化的系統(tǒng)。表征 MCU 中的信號鏈誤差時(shí)會存在一個(gè)問題，即內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通常不會像外部電壓基準(zhǔn)那樣全面而深入地表征，而且往往缺乏最差值上限。因此，很難計(jì)算出系統(tǒng)最壞情況下的誤差。使用外部基準(zhǔn)電壓可解決這一難題，如圖 1-2 中的 REF3430-Q1 所示。

表 1-1 所示為關(guān)于電壓軌監(jiān)控要求的一個(gè)示例，該要求為通過微型計(jì)算機(jī)監(jiān)控 ADAS 系統(tǒng)中精密 MCU 的 1V 電壓軌。由于某些電壓電源軌嚴(yán)格要求限制在一定的電壓范圍內(nèi)，我們希望確保信號鏈系統(tǒng)的總誤差小于 1%，這樣就可以測量偏差，在本例中偏差為 10mV。

對于 1V 直流測量，可以通過一個(gè)外部基準(zhǔn)電壓來計(jì)算總誤差。可通過兩種方法來計(jì)算系統(tǒng)誤差：一種是最壞情況法，另一種則是和的平方根 (RSS)法。誤差計(jì)算之間的主要區(qū)別在于如何組合一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)誤差。在基于最壞情況的誤差計(jì)算中，所有誤差都是它們最壞情況的疊加，結(jié)果趨于保守，雖能確保每個(gè)器件都正常工作，但主要缺點(diǎn)是要考慮到 6 個(gè)以上 Σ 的事件，這會使系統(tǒng)成本增加。最壞情況法的一種常見替代方法是基于統(tǒng)計(jì)公差分析的 RSS 法。之所以使用 RSS，是因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)更實(shí)際的、基于分布的可接受限值。而在本例中，我們使用 RSS 是因?yàn)樗軌蚋鎸?shí)地表示誤差。

VREF 基準(zhǔn)計(jì)算的總誤差是初始精度、溫度系數(shù)等所有誤差的總和。為了計(jì)算總誤差，所有誤差都應(yīng)采用通用單位，如Equation1中的 ppm（百萬分率）。通過校準(zhǔn)可以進(jìn)一步減小 VREF 總誤差，因?yàn)樾?zhǔn)可以消除初始精度和溫度系數(shù)等靜態(tài)誤差。本例中省略了焊接漂移、負(fù)載調(diào)節(jié)、線路調(diào)節(jié)等誤差，但可以將這些誤差一并加入，從而計(jì)算出 VREF 總誤差的更準(zhǔn)確值。Equation1 所示為如何使用 RSS 法合并所有這些誤差。

Equation1.

選擇 ADC 時(shí)，找到一個(gè)誤差盡可能小的 ADC 非常重要。本例使用了符合表 1-3 中所示規(guī)格的內(nèi)部 MCU ADC。這種情況下的 ADC 總誤差也稱為總體未調(diào)誤差，它的計(jì)算方法類似于使用 RSS 法計(jì)算 VREF 總誤差。

Equation2.

進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)，ADC 的誤差是獨(dú)立的，但基準(zhǔn)電壓的誤差與 ADC 模擬輸入信號成正比。Equation2 中計(jì)算的 VREF 總誤差只有在模擬輸入信號為滿刻度時(shí)才有效。在本例中，由于模擬輸入為 1V，而不是滿刻度電壓，只有 VREF 總誤差的一小部分影響到模擬輸入，這可在Equation3 中看到。

Equation3.

在 ADC 規(guī)格下，使用Equation4 將 VREF 總誤差轉(zhuǎn)換為 LSB，如此一來，使用Equation5 中的 RSS 法可以合并 VREF 和 ADC。

Equation4.

Equation5.

Equation6.

表 1-4 總結(jié)了系統(tǒng)的最終誤差，因?yàn)橥獠炕鶞?zhǔn)電壓可以幫助表征誤差以確保滿足最小精度。在實(shí)踐中，測量值將比 RSS 總誤差更精確，但該誤差可以為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)提供一個(gè)基準(zhǔn)。主要誤差來自 ADC，因此選擇更精確的 ADC 即可輕松減小系統(tǒng)的 ADC 誤差。還有一些技術(shù)可用于改善基準(zhǔn)電壓誤差，例如使用更高的外部基準(zhǔn)電壓。在表 1-5 中，有一些備選基準(zhǔn)電壓器件可幫助減小這種誤差或節(jié)省電力。