汽車行業(yè)的自動(dòng)化和數(shù)字化趨勢(shì)日益明顯，從高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）到信息娛樂(lè)系統(tǒng)，現(xiàn)代汽車越來(lái)越依賴數(shù)字技術(shù)。

而模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）作為這些系統(tǒng)的核心組件，其重要性愈發(fā)突出，ADC 可以將實(shí)際的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

今天我們將討論，如何利用 ADC 提高汽車系統(tǒng)的性能和安全性！

一、了解汽車系統(tǒng)中的 ADC

汽車系統(tǒng)利用 ADC 將來(lái)自不同傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些傳感器種類繁多，從壓力傳感器、溫度傳感器，到雷達(dá)傳感器和光傳感器，不一而足。汽車計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)來(lái)自傳感器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)做出各種選擇、管理不同操作，并通知駕駛員。

高精度 ADC 憑借其出色的分辨率和精度，成為汽車系統(tǒng)的熱門選擇。這些 ADC 可以精確捕捉模擬信號(hào)的復(fù)雜特性，生成高質(zhì)量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，為正確可靠的判斷提供依據(jù)。

二、汽車系統(tǒng)中使用的 ADC 類型

幾乎所有的車輛控制系統(tǒng)都需要在一定程度上監(jiān)測(cè)輸入電壓。例如，系統(tǒng)需要知道為其供電的電池電壓是多少。汽車的每個(gè)控制組件都使用了微控制器 IC，該 IC 一般都內(nèi)置 ADC 外設(shè)以實(shí)現(xiàn)和 ADC 的通信。

但為了實(shí)現(xiàn)高端測(cè)量，控制單元中也可以集成獨(dú)立的分立式 ADC IC，以更快、更精確地進(jìn)行測(cè)量；然后，微控制器再通過(guò) I2C 和 UART 通信通道以數(shù)字方式讀取測(cè)量結(jié)果。

1SAR ADCs

逐次逼近型寄存器（SAR） ADC 因具有速度快、功耗低的特性常被用于汽車系統(tǒng)。這種 ADC 使用二進(jìn)制搜索算法查找與輸入信號(hào)最接近的匹配值。根據(jù)輸入信號(hào)與一組參考電壓的比較結(jié)果，輸出值隨之變化。SAR ADC 的主要功能模塊如下圖所示：

圖 1：SAR ADC 功能框圖

SAR ADC 中使用了采樣電容。當(dāng)開(kāi)關(guān) S1 向左切換時(shí)，采樣電容充電至將要被采集的目標(biāo)模擬輸入電壓。當(dāng) S1 向右切換時(shí)，該電壓值與 DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）輸出進(jìn)行比較。DAC 可以提供從 VREF（ADC 最大參考電壓）到 0V 的電壓范圍。ADC 會(huì)反復(fù)將不同的 DAC 輸出值與采樣電容上的電壓進(jìn)行比較，看它們是更大還是更小。輸入電壓較大時(shí)，輸出該比特位為二進(jìn)制值1；輸入電壓較小則比特值為 0。這樣，模擬信號(hào)輸入在整個(gè)迭代過(guò)程中被數(shù)字化，從而產(chǎn)生比特流。

在需要快速響應(yīng)時(shí)間的系統(tǒng)中，SAR ADC 尤其有效，例如制動(dòng)系統(tǒng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS） 。

2Δ-Σ ADC

當(dāng)系統(tǒng)要求高分辨率和高精度時(shí)，通常采用 Δ-Σ ADC。這種 ADC 采用了一種稱為過(guò)采樣的技術(shù)，即以遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率的速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。同時(shí)結(jié)合噪聲整形，Δ-Σ ADC 能夠?qū)崿F(xiàn)極高的精度和準(zhǔn)確度。下圖顯示了 Δ-Σ ADC 的主要功能模塊：

圖 2：Δ-Σ ADC 功能框圖

Δ-Σ 調(diào)制器的輸入端接收模擬輸入電壓，并輸出脈沖波。一次采樣下每個(gè)脈沖的寬度之和都對(duì)應(yīng)于輸入電壓的幅度。盡管脈沖波會(huì)受到高頻噪聲的嚴(yán)重干擾，但它看起來(lái)仍和模擬輸入電壓很像。隨后，對(duì)脈沖波應(yīng)用一個(gè)數(shù)字濾波器以降低噪聲?？梢钥吹?，其輸出已經(jīng)可以準(zhǔn)確反映模擬輸入電壓。然而，過(guò)采樣使數(shù)據(jù)量過(guò)大，以至于控制單元無(wú)法管理；因此，在其后再附加一個(gè)降采樣濾波器。為使過(guò)采樣數(shù)據(jù)仍可處理，降采樣濾波器只用于將過(guò)采樣的大量高噪聲高頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)量較少易處理的低頻去噪數(shù)據(jù)。

對(duì)于需要精確測(cè)量的應(yīng)用，例如燃油噴射系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU），采用 Δ-Σ ADC 最為適合。

三、利用 ADC 增強(qiáng)安全性

ADC 對(duì)于提高現(xiàn)代汽車的安全性至關(guān)重要，例如提升汽車 ADAS、制動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定性控制系統(tǒng)等安全功能。

對(duì) ADAS 來(lái)說(shuō)，ADC 可以將來(lái)自雷達(dá)傳感器和攝像頭的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。系統(tǒng)根據(jù)處理之后的數(shù)據(jù)做出轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和加速等決策，同時(shí)還能檢測(cè)其他車輛、行人和障礙物。

用于制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，ADC 可以將壓力傳感器的模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)處理之后的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)施加到每個(gè)車輪上的制動(dòng)力，從而提高車輛的穩(wěn)定性。

四、利用 ADC 增強(qiáng)性能

ADC 還是提升現(xiàn)代汽車性能的關(guān)鍵設(shè)備，因?yàn)樗粦?yīng)用于眾多的性能系統(tǒng)，例如燃油噴射系統(tǒng)、變速箱控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，ADC 將溫度傳感器、壓力傳感器和氧傳感器等不同傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)處理之后的數(shù)據(jù)管理發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)功能部件，包括燃油噴射、點(diǎn)火正時(shí)和油門控制，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。

當(dāng)用于變速箱控制系統(tǒng)時(shí)，ADC 將來(lái)自壓力和溫度傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后利用這些數(shù)據(jù)控制變速箱的運(yùn)行，從而提高車輛的效率和操控性。

五、案例：汽車應(yīng)用中的 ADC

ADC 廣泛應(yīng)用于各種汽車應(yīng)用，包括性能和安全系統(tǒng)。下面將詳細(xì)探討一些特定的應(yīng)用，并探討 ADC 如何提升這些應(yīng)用的性能和安全性。

1高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中的 ADC

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 用于提供一些自動(dòng)駕駛輔助功能，例如自適應(yīng)巡航控制、車道保持輔助和自動(dòng)緊急制動(dòng)等。要識(shí)別到其他車輛、行人和障礙物，ADAS 依賴于一系列的傳感器，包括雷達(dá)傳感器、激光雷達(dá)傳感器和攝像頭。下圖展示了 ADAS 系統(tǒng)的主要功能：

圖 3：ADAS 的主要功能

將來(lái)自各種傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的 ADC 在 ADAS 中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以利用這些數(shù)據(jù)做出轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和加速等決策。

例如，在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中，雷達(dá)傳感器可用于測(cè)量與前方車輛的距離。ADC 將雷達(dá)傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后對(duì)其處理以改變車速，從而保持安全的跟車距離。

高速 SAR ADC 響應(yīng)時(shí)間快，非常適合此應(yīng)用。其快速反應(yīng)時(shí)間使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)與前車距離的變化，從而提高駕駛舒適度和安全性。

2發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的 ADC

為了最大限度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)被用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的諸多功能，包括燃油噴射、點(diǎn)火正時(shí)和油門控制。這些系統(tǒng)通過(guò)一系列傳感器（包括溫度、壓力和氧傳感器）來(lái)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性。下圖展示了發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元用到的各種傳感器：

圖 4：ECU 主要傳感器

作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件的 ADC 將來(lái)自這些傳感器的模擬輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行相關(guān)的各項(xiàng)功能。

例如，燃油壓力傳感器在燃油噴射系統(tǒng)中測(cè)量燃油軌中的汽油壓力，ADC 將燃油壓力傳感器的模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行處理，以調(diào)節(jié)噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油量。

高精度 Δ-Σ ADC 具有高分辨率和高精度，是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的理想選擇。利用 Δ-Σ ADC，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠精確管理噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)語(yǔ)

能夠?qū)?shí)際模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的 ADC 是現(xiàn)代車輛系統(tǒng)的重要組成部分。

高精度 ADC 擁有出色的分辨率和精度，可以顯著提升汽車系統(tǒng)的性能和安全性，打造更安全、更高效、體驗(yàn)更佳的汽車。

隨著汽車行業(yè)持續(xù)向數(shù)字化和自動(dòng)化方向發(fā)展，ADC 的功能也將日益重要，并成為汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。