利用ADC提高汽车系统性能

汽车行业的自动化和数字化趋势日益明显，从高级驾驶辅助系统（ADAS）到信息娱乐系统，现代汽车越来越依赖数字技术。

而模数转换器（ADC）作为这些系统的核心组件，其重要性愈发突出，ADC 可以将实际的模拟信号转换为汽车计算机系统能够处理的数字数据。

今天我们将讨论，如何利用 ADC 提高汽车系统的性能和安全性！

一、了解汽车系统中的 ADC

汽车系统利用 ADC 将来自不同传感器的模拟信号转换为数字数据。这些传感器种类繁多，从压力传感器、温度传感器，到雷达传感器和光传感器，不一而足。汽车计算系统根据来自传感器的数字数据做出各种选择、管理不同操作，并通知驾驶员。

高精度 ADC 凭借其出色的分辨率和精度，成为汽车系统的热门选择。这些 ADC 可以精确捕捉模拟信号的复杂特性，生成高质量的数字数据，为正确可靠的判断提供依据。

二、汽车系统中使用的 ADC 类型

几乎所有的车辆控制系统都需要在一定程度上监测输入电压。例如，系统需要知道为其供电的电池电压是多少。汽车的每个控制组件都使用了微控制器 IC，该 IC 一般都内置 ADC 外设以实现和 ADC 的通信。

但为了实现高端测量，控制单元中也可以集成独立的分立式 ADC IC，以更快、更精确地进行测量；然后，微控制器再通过 I²C 和 UART 通信通道以数字方式读取测量结果。

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车系统。这种 ADC 使用二进制搜索算法查找与输入信号最接近的匹配值。根据输入信号与一组参考电压的比较结果，输出值随之变化。SAR ADC 的主要功能模块如下图所示：

图 1：SAR ADC 功能框图

SAR ADC 中使用了采样电容。当开关 S1 向左切换时，采样电容充电至将要被采集的目标模拟输入电压。当 S1 向右切换时，该电压值与 DAC（数字模拟转换器）输出进行比较。DAC 可以提供从 VREF（ADC 最大参考电压）到 0V 的电压范围。ADC 会反复将不同的 DAC 输出值与采样电容上的电压进行比较，看它们是更大还是更小。输入电压较大时，输出该比特位为二进制值1；输入电压较小则比特值为 0。这样，模拟信号输入在整个迭代过程中被数字化，从而产生比特流。

在需要快速响应时间的系统中，SAR ADC 尤其有效，例如制动系统和高级驾驶辅助系统（ADAS） 。

2Δ-Σ ADC

当系统要求高分辨率和高精度时，通常采用 Δ-Σ ADC。这种 ADC 采用了一种称为过采样的技术，即以远高于奈奎斯特速率的速率对输入信号进行采样。同时结合噪声整形，Δ-Σ ADC 能够实现极高的精度和准确度。下图显示了 Δ-Σ ADC 的主要功能模块：

图 2：Δ-Σ ADC 功能框图

Δ-Σ 调制器的输入端接收模拟输入电压，并输出脉冲波。一次采样下每个脉冲的宽度之和都对应于输入电压的幅度。尽管脉冲波会受到高频噪声的严重干扰，但它看起来仍和模拟输入电压很像。随后，对脉冲波应用一个数字滤波器以降低噪声。可以看到，其输出已经可以准确反映模拟输入电压。然而，过采样使数据量过大，以至于控制单元无法管理；因此，在其后再附加一个降采样滤波器。为使过采样数据仍可处理，降采样滤波器只用于将过采样的大量高噪声高频数据转为数据量较少易处理的低频去噪数据。

对于需要精确测量的应用，例如燃油喷射系统和发动机控制单元（ECU），采用 Δ-Σ ADC 最为适合。

三、利用 ADC 增强安全性

ADC 对于提高现代汽车的安全性至关重要，例如提升汽车 ADAS、制动系统和稳定性控制系统等安全功能。

对 ADAS 来说，ADC 可以将来自雷达传感器和摄像头的模拟信号转换为数字信息。系统根据处理之后的数据做出转向、制动和加速等决策，同时还能检测其他车辆、行人和障碍物。

用于制动系统时，ADC 可以将压力传感器的模拟信息转换为数字数据。系统根据处理之后的数据调节施加到每个车轮上的制动力，从而提高车辆的稳定性。

四、利用 ADC 增强性能

ADC 还是提升现代汽车性能的关键设备，因为它被应用于众多的性能系统，例如燃油喷射系统、变速箱控制系统和发动机控制系统。

例如，在发动机控制系统中，ADC 将温度传感器、压力传感器和氧传感器等不同传感器的模拟信号转换为数字数据。系统根据处理之后的数据管理发动机的各个功能部件，包括燃油喷射、点火正时和油门控制，从而提高发动机的性能和效率。

当用于变速箱控制系统时，ADC 将来自压力和温度传感器的模拟信号转换为数字数据。然后利用这些数据控制变速箱的运行，从而提高车辆的效率和操控性。

五、案例：汽车应用中的 ADC

ADC 广泛应用于各种汽车应用，包括性能和安全系统。下面将详细探讨一些特定的应用，并探讨 ADC 如何提升这些应用的性能和安全性。

1高级驾驶辅助系统（ADAS）中的 ADC

高级驾驶辅助系统 （ADAS） 用于提供一些自动驾驶辅助功能，例如自适应巡航控制、车道保持辅助和自动紧急制动等。要识别到其他车辆、行人和障碍物，ADAS 依赖于一系列的传感器，包括雷达传感器、激光雷达传感器和摄像头。下图展示了 ADAS 系统的主要功能：

图 3：ADAS 的主要功能

将来自各种传感器的模拟信号转换为数字数据的 ADC 在 ADAS 中发挥着关键的作用。汽车计算机系统可以利用这些数据做出转向、制动和加速等决策。

例如，在自适应巡航控制系统中，雷达传感器可用于测量与前方车辆的距离。ADC 将雷达传感器的模拟信号转换为数字数据，然后对其处理以改变车速，从而保持安全的跟车距离。

高速 SAR ADC 响应时间快，非常适合此应用。其快速反应时间使系统能够快速响应与前车距离的变化，从而提高驾驶舒适度和安全性。

2发动机控制系统中的 ADC

为了最大限度地提高发动机性能和经济性，发动机控制系统被用来调节发动机的诸多功能，包括燃油喷射、点火正时和油门控制。这些系统通过一系列传感器（包括温度、压力和氧传感器）来跟踪发动机的工作特性。下图展示了发动机控制单元用到的各种传感器：

图 4：ECU 主要传感器

作为发动机控制系统关键元件的 ADC 将来自这些传感器的模拟输入转换成数字数据，然后由发动机控制单元（ECU）利用这些数据进行处理，完成发动机运行相关的各项功能。

例如，燃油压力传感器在燃油喷射系统中测量燃油轨中的汽油压力，ADC 将燃油压力传感器的模拟输入转换为数字数据，然后对其进行处理，以调节喷入发动机的汽油量。

高精度 Δ-Σ ADC 具有高分辨率和高精度，是发动机控制系统的理想选择。利用 Δ-Σ ADC，发动机控制系统能够精确管理喷入发动机的汽油量，提升发动机性能和燃油经济性。

结语

能够将实际模拟信号转换为数字数据的 ADC 是现代车辆系统的重要组成部分。

高精度 ADC 拥有出色的分辨率和精度，可以显著提升汽车系统的性能和安全性，打造更安全、更高效、体验更佳的汽车。

随着汽车行业持续向数字化和自动化方向发展，ADC 的功能也将日益重要，并成为汽车技术发展的关键因素之一。