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Adaptación de las señales de los sensores

Preparación de señales
Antes de enviar la señal del sensor para la evaluación digital por parte de la centralita, las señales de los sensores necesitan una preparación específica. La preparación de señales (SA) puede incluir, en tanto sea necesario, por ejemplo. las siguientes funciones:

• amplificación (DC, AC),
• rectificación (también con sincronización de fases),
• evaluación de valores umbral (también umbrales deslizantes), conformación de impulsos,
• conversión tensión/frecuencia, modulación de la duración de impulsos,
• filtrado de frecuencias, inclusive protección contra tensiones parásitas,
• conversión analógica/digital o digital/analógica,
• equilibrado de derivas (offset) y amplificación (característica general) analógica, digital (inclusive (E2)PROM),
• linealización,
• equilibrado de la compensación de temperatura (analógico, digital),
• puesta a cero automática, posibilidad de calibrado durante el funcionamiento,
• autovigilancia (diagnosis de a bordo, salida de diagnosis) y funciones de test,
• regulación de sensores sometidos a un servo-mando (principio de compensación),
• generación de una tensión alterna para sistemas de sensores de frecuencia portadora,
• estabilización de la alimentación de tensión,
• protección de las etapas de salida y de excitación contra cortocircuitos y sobretensiones,
• multiplexor de señales, serialización analógica y/o digital de las señales, codificación, inclusive identificación de defectos,
• interface para bus (p. ej. CAN), etc.
  

Todas estas funciones están generalmente disponibles en forma de circuitos integrados de aplicación específica llamados ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Estos circuitos "hechos a medida" para la aplicación respectiva pueden estar dispuestos en el lado del sensor (integrados junto con el sensor) o en el lado de la unidad de control. En algunos casos las diversas funciones están repartidas incluso entre los dos lados. La integración del circuito junto al sensor (figura inferior, del primer al tercer grado de integración) ofrece la ventaja de que el sensor y la preparación de señales (SA) pueden ser equilibrados y compensados en común. Forman una unidad inseparable y casi inmune a perturbaciones. En caso de fallar un componente, se cambia la unidad entera.

Si la función hasta aquí descrita tenía que ser realizada antes mediante circuitos separados, las tecnologías mixtas actuales hacen posible también la integración de la función completa en un solo chip, inclusive las células de memoria digitales programables (PROM) eventualmente necesarias. Casi en todos los casos existe incluso la posibilidad de realizar una integración monolítica del sensor y de la preparación de señales (p. ej. en los sensores de presión del tubo de admisión y sensores Hall). La euforia inicial para este modo de integración ha sido suplantada entretanto por consideraciones objetivas en el aspecto de la economía. Hoy día se utilizan más bien otros métodos de integración más rentables, que corresponden al estado actual de la tecnología (p. ej. híbridos de capas gruesas, zócalo y caja de chip comunes). Este concepto, más modular, es también mucho más flexible, pues es más fácil de adaptar a las nuevas aplicaciones.
La mayoría de los sensores sólo pueden funcionar en combinación con estos ASIC y sus características son también definidas únicamente junto con estos circuitos. En caso de fabricar sensores no sólo para sistemas específicos de la marca, sino también para el mercado libre, esta comercialización externa debería efectuarse, en lo posible, sólo en combinación con los circuitos de preparación de señales respectivos.

Ejemplos de aplicación
Al principio los ASIC fueron concebidos preferentemente para ser montados en unidades de control. Por eso no pudieron tomarse en consideración ciertas exigencias que se basan en propiedades especiales, en parte individuales, de los sensores. Ahora, los circuitos se conciben en general para ser montados directamente en el sensor. Los ASIC pueden en estos casos ejercer la función de un sensor "inteligente", memorizando magnitudes individuales para el equilibrado y compensación y efectuando así correcciones en caso de errores o defectos. De un sinnúmero de ASIC se expondrán aquí sólo algunos como ejemplo:

ASICCC212
El CC212 es un ASIC destinado a sensores de anillo de cortocircuito (p. ej. en versión semidiferencial) para la medición de recorridos y posiciones angulares utilizados en las bombas de inyección Diesel tanto rotativas como lineales. Por razón de su gran efecto de medición y de su moderada frecuencia de funcionamiento (5 ... 50 kHz), los sensores de anillo de cortocircuito no requieren en todo caso la presencia de la electrónica en el lugar de montaje. Por eso se encuentra el ASIC CC212 en la unidad de control. El reúne casi toda la electrónica que es necesaria p. ej. para la activación y evaluación del sensor en la unidad de control para la regulación electrónica diesel. Ofrece una señal de salida tanto analógica como digital.
Al diseñar este ASIC se renunció intencionadamente a las ventajas que ofrece una corrección individual de la característica y de la temperatura específica de esta versión de sensor, función que hubiera sido posible por la adaptación directa de la electrónica al sensor y que hubiera simplificado la estructura de éste. El reconoce automáticamente un posible cortocircuito o rotura de cable en el sensor y suprime las puntas de tensión parásita que pueden aparecer en la línea de salida del sensor.

El circuito ASIC activa un sensor semidiferencial de anillo de cortocircuito en la forma de un divisor de tensión alterna (10 kHz), siendo alimentado un extremo del divisor con una amplitud constante. El otro extremo conduce una tensión de fase inversa, cuya longitud se regula hasta que desaparece la tensión de salida en la toma del divisor de tensión. La amplitud de tensión regulada representa simultáneamente la señal de salida analógica (figura inferior).

ASIC CC195
El CC195 es un ASIC destinado a sensores de picado. Los sensores de picado están fijados directamente en el bloque motor, donde registran señales de aceleración en forma de ruido propagado por estructuras sólidas. Las señales típicas en un margen de 5 a 15 kHz que se generan en caso de una combustión detonante, han de ser filtradas. Un mando de estrechas aberturas sincronizadas en función del tiempo neutraliza exactamente la fase del ciclo de trabajo en la que teóricamente puede aparecer la señal y la asigna incluso a un cilindro determinado. La señal que se manifiesta en el margen de frecuencias críticas es rectificada y, después de su comunicación, es evaluada por la unidad de control. Esta desplaza el punto de encendido en caso necesario, hasta que desaparece el picado. El circuito ASIC, que realiza las funciones descritas, está montado en la unidad de control y puede evaluar las señales de hasta cuatro sensores de picado (figura inferior).

Interface ASIC
Los sensores de aceleración activan los sistemas de retención de un vehículo, para proteger a los ocupantes contra las consecuencias de una colisión frontal. Estos sensores se encuentran directamente dentro de la unidad de control de los airbag, montada generalmente en la consola del vehículo.
Como la activación de un sistema de protección contra un choque lateral ha de tener lugar mucho más rápidamente, existe la necesidad de disponer
los sensores de aceleración correspondientes en la periferia del vehículo (p.ej. en los travesaños). Desde allí transmiten sus señales digitales a la unidad central (ECU) por medio de una unión de dos conductores.
La transmisión de las señales la asegura un módulo electrónico llamado PAS (Peripheral Accele-ration Sensor), que contiene en un concepto de dos chips tanto el sensor de aceleración capacitivo como también sus etapas de activación y evaluación (figura inferior). El circuito ASIC utilizado comprende no sólo la activación del sensor y la evaluación de sus señales, sino también la activación del interface de salida y la autovigilancia del sensor.

ASIC CC340
El circuito CC340 es un amplificador de señales universal de mando digital (figura inferior, concepto de tres chips). Este módulo concebido en técnica CMOS representa un amplificador analógico diferencial de tensión continua. Con la ayuda de un circuito digital de corrección, él puede regular simultáneamente el desplazamiento (offset) y la amplificación, en función de una señal.
El es apropiado p. ej. para amplificar muy exactamente la tensión de salida del puente de calibres extensométricos de un sensor de presión, si al mismo tiempo se detecta también la temperatura de funcionamiento "t" del puente. Por una parte se conservan así las ventajas de una sencilla amplificación analógica de banda ancha y exenta de retardo. Por otra parte se efectúa la corrección de temperatura en una sección del circuito totalmente digitalizada, a la que no hay que imponer ninguna exigencia respecto a una alta rapidez de funcionamiento ni de resolución.
La digitalización somera de la señal de temperatura se efectúa con 6 bitios (64 escalones). La palabra digital permite tomar de una EEPROM dos funciones de corrección: una de desplazamiento y la otra de amplificación. Cada una de ellas está codificada con 8 bitios y puede ser aplicada al amplificador. De esta manera se pueden corregir en un amplio margen también derivas de temperatura considerablemente no lineales. La memoria EEPROM contiene también una amplificación y un desplazamiento básicos seleccionables.

Una nueva versión de este ASIC tendrá integrados probablemente la EEPROM y el circuito bipolar de protección en un solo chip (figura 6); conforme al estado de la técnica, en una primera versión hubo que realizar todavía estas funciones aplicando el concepto de tres chips.