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。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。本文将讨论如何利用ADC 提高汽车系统的性能和安全性。
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。
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。
SAR 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，采样电容充电至所需的模拟输入电压。当 S1 向右切换时，该电压值与 DAC（数字模拟比较器）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 输出值与采样所得电压进行比较，确定它们是更大还是更小。输入电压较大时，本地比特值为 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) 。
Δ-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。每个脉冲的宽度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，在其后再附加一个抽取滤波器。为使过采样数据仍可处理，抽取滤波器只用于降低数据速率。
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。
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。
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。
案例研究：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。下文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。
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。
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，并决定汽车技术的未来。
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