汽車行業的自動化和數字化趨勢日益明顯，從高級駕駛輔助系統（ADAS）到信息娛樂系統，現代汽車越來越依賴數字技術。

而模數轉換器（ADC）作為這些系統的核心組件，其重要性愈發突出，ADC 可以將實際的模擬信號轉換為汽車計算機系統能夠處理的數字數據。

今天我們將討論，如何利用 ADC 提高汽車系統的性能和安全性！

一、了解汽車系統中的 ADC

汽車系統利用 ADC 將來自不同傳感器的模擬信號轉換為數字數據。這些傳感器種類繁多，從壓力傳感器、溫度傳感器，到雷達傳感器和光傳感器，不一而足。汽車計算系統根據來自傳感器的數字數據做出各種選擇、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，成為汽車系統的熱門選擇。這些 ADC 可以精確捕捉模擬信號的復雜特性，生成高質量的數字數據，為正確可靠的判斷提供依據。

二、汽車系統中使用的 ADC 類型

幾乎所有的車輛控制系統都需要在一定程度上監測輸入電壓。例如，系統需要知道為其供電的電池電壓是多少。汽車的每個控制組件都使用了微控制器 IC，該 IC 一般都內置 ADC 外設以實現和 ADC 的通信。

但為了實現高端測量，控制單元中也可以集成獨立的分立式 ADC IC，以更快、更精確地進行測量；然后，微控制器再通過 I2C 和 UART 通信通道以數字方式讀取測量結果。

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。這種 ADC 使用二進制搜索算法查找與輸入信號最接近的匹配值。根據輸入信號與一組參考電壓的比較結果，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。當開關 S1 向左切換時，采樣電容充電至將要被采集的目標模擬輸入電壓。當 S1 向右切換時，該電壓值與 DAC（數字模擬轉換器）輸出進行比較。DAC 可以提供從 VREF（ADC 最大參考電壓）到 0V 的電壓范圍。ADC 會反復將不同的 DAC 輸出值與采樣電容上的電壓進行比較，看它們是更大還是更小。輸入電壓較大時，輸出該比特位為二進制值1；輸入電壓較小則比特值為 0。這樣，模擬信號輸入在整個迭代過程中被數字化，從而產生比特流。

在需要快速響應時間的系統中，SAR ADC 尤其有效，例如制動系統和高級駕駛輔助系統（ADAS） 。

2Δ-Σ ADC

當系統要求高分辨率和高精度時，通常采用 Δ-Σ ADC。這種 ADC 采用了一種稱為過采樣的技術，即以遠高于奈奎斯特速率的速率對輸入信號進行采樣。同時結合噪聲整形，Δ-Σ ADC 能夠實現極高的精度和準確度。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。一次采樣下每個脈沖的寬度之和都對應于輸入電壓的幅度。盡管脈沖波會受到高頻噪聲的嚴重干擾，但它看起來仍和模擬輸入電壓很像。隨后，對脈沖波應用一個數字濾波器以降低噪聲。可以看到，其輸出已經可以準確反映模擬輸入電壓。然而，過采樣使數據量過大，以至于控制單元無法管理；因此，在其后再附加一個降采樣濾波器。為使過采樣數據仍可處理，降采樣濾波器只用于將過采樣的大量高噪聲高頻數據轉為數據量較少易處理的低頻去噪數據。

對于需要精確測量的應用，例如燃油噴射系統和發動機控制單元（ECU），采用 Δ-Σ ADC 最為適合。

三、利用 ADC 增強安全性

ADC 對于提高現代汽車的安全性至關重要，例如提升汽車 ADAS、制動系統和穩定性控制系統等安全功能。

對 ADAS 來說，ADC 可以將來自雷達傳感器和攝像頭的模擬信號轉換為數字信息。系統根據處理之后的數據做出轉向、制動和加速等決策，同時還能檢測其他車輛、行人和障礙物。

用于制動系統時，ADC 可以將壓力傳感器的模擬信息轉換為數字數據。系統根據處理之后的數據調節施加到每個車輪上的制動力，從而提高車輛的穩定性。

四、利用 ADC 增強性能

ADC 還是提升現代汽車性能的關鍵設備，因為它被應用于眾多的性能系統，例如燃油噴射系統、變速箱控制系統和發動機控制系統。

例如，在發動機控制系統中，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轉換為數字數據。系統根據處理之后的數據管理發動機的各個功能部件，包括燃油噴射、點火正時和油門控制，從而提高發動機的性能和效率。

當用于變速箱控制系統時，ADC 將來自壓力和溫度傳感器的模擬信號轉換為數字數據。然后利用這些數據控制變速箱的運行，從而提高車輛的效率和操控性。

五、案例：汽車應用中的 ADC

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

1高級駕駛輔助系統（ADAS）中的 ADC

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

圖 3：ADAS 的主要功能

將來自各種傳感器的模擬信號轉換為數字數據的 ADC 在 ADAS 中發揮著關鍵的作用。汽車計算機系統可以利用這些數據做出轉向、制動和加速等決策。

例如，在自適應巡航控制系統中，雷達傳感器可用于測量與前方車輛的距離。ADC 將雷達傳感器的模擬信號轉換為數字數據，然后對其處理以改變車速，從而保持安全的跟車距離。

高速 SAR ADC 響應時間快，非常適合此應用。其快速反應時間使系統能夠快速響應與前車距離的變化，從而提高駕駛舒適度和安全性。

2發動機控制系統中的 ADC

為了最大限度地提高發動機性能和經濟性，發動機控制系統被用來調節發動機的諸多功能，包括燃油噴射、點火正時和油門控制。這些系統通過一系列傳感器（包括溫度、壓力和氧傳感器）來跟蹤發動機的工作特性。下圖展示了發動機控制單元用到的各種傳感器：

圖 4：ECU 主要傳感器

作為發動機控制系統關鍵元件的 ADC 將來自這些傳感器的模擬輸入轉換成數字數據，然后由發動機控制單元（ECU）利用這些數據進行處理，完成發動機運行相關的各項功能。

例如，燃油壓力傳感器在燃油噴射系統中測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換為數字數據，然后對其進行處理，以調節噴入發動機的汽油量。

高精度 Δ-Σ ADC 具有高分辨率和高精度，是發動機控制系統的理想選擇。利用 Δ-Σ ADC，發動機控制系統能夠精確管理噴入發動機的汽油量，提升發動機性能和燃油經濟性。

結語

能夠將實際模擬信號轉換為數字數據的 ADC 是現代車輛系統的重要組成部分。

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的性能和安全性，打造更安全、更高效、體驗更佳的汽車。

隨著汽車行業持續向數字化和自動化方向發展，ADC 的功能也將日益重要，并成為汽車技術發展的關鍵因素之一。