电动汽车动力总成解读︱模拟世界与数字世界

导语：喜欢科幻电影的小伙伴应该对文章封面不会陌生，没错！这就是《黑客帝国》里面的经典画面，遥想当年第一次看完那个心情：我是谁？我在哪？我来自哪里？我要去何方？。。。今天我们就来聊聊电驱动控制系统的微处理器是如何通过“神器”-数模转换器(ADC)，与我们所处的模拟世界建立联系的？借此对数字信号、模拟信号，以及相关电路做下介绍。

本文按如下逻辑展开：

1. 模拟世界与数字世界

2. 模拟信号

3. 数字信号

4. 模拟电路与数字电路

5. ADC——连接模拟世界与数字世界的神器

1. 模拟世界与数字世界

我们所处的世界，是一个由用无限多种颜色、无数种音调，无数种气味绘制而成的世界，所有的这些元素都可以理解成一个模拟信号，这些模拟信号构成了我们这个世界的无线可能。

数字信号和描绘的对象是离散且有限的，可以通过一组有限的数据来定义。可能是255到4,294,967,296中的任何值（只要不是∞）。

我们如果想让电动汽车按自己的意图跑起来，就要对动力总成进行控制，就需要我们通过某种手段，让它与我们的真实的模拟世界进行交互。这就需要我们在输入、输出方面对模拟型号和数字信号进行处理，但是 ，大多数的微处理器、计算机、逻辑单元都是纯数字的！这就好比是两种不同的语言，有些组件是双语的，而有些组件只能理解或说出其中一种，那究竟要怎么办?

2. 模拟信号

在进一步讨论之前，我们应该先聊聊一下信号的实际含义，特别是电子信号，如交通信号、通讯信号等。这些电子信号是一种随时间变化的量化信息，在电气工程领域，通常指的是电压。因此，当我们谈论信号时，将其视为随时间变化的电压即可。

信号通过在设备之间传递，实现信息的发送与接收，这些信息可能是视频，音频或某种编码数据。通常， 信号是通过电线传输的，但是它们也可以通过射频（RF）波在空中传播。例如，音频信号可能会在计算机的声卡和扬声器之间传输，而数字信号可能会在平板电脑和WiFi路由器之间通过 空气 传输。

那么模拟信号究竟是什么样子呢?

由于信号会随时间变化，因此将其绘制在一个图表上帮助理解：x轴-时间，y轴-电压。通过信号图可以直观判断出数据类型，模拟信号的时间-电压曲线应该是光滑且连续的，如下图：

例如，我们日常看的的视频和听的音频，就是通过使用模拟信号进行传输或记录的（通常而言）。例如，从RCA端子发出的复合视频是一种编码的模拟信号，通常定义在0到1.073V之间，其信号的微小变化会对视频的颜色或位置产生巨大影响。

3. 数字信号

数字信号一定是由一组有限的数据组成，电气工程领域中，最常见的数字信号是0V或5V，如下图”方波“所示：

数字信号也可以是通过离散数据表达的模拟波形，如下图所示：整体来看，其构成的波形是光滑的，像模拟信号一样；但放大之后，会发现其实是由微小 的离散信号组成。

因此，可以看出，模拟信号与数字信号最大的不同：模拟信号是光滑且连续的，数字信号是步进的方波，且离散。

我们仍然以视频和音频信号为例，例如用于视频（和音频）的HDMI，以及用于音频的MIDI或AC''97均以数字方式进行传输，如下图：

4. 模拟电路与数字电路

模拟电路

大多数基本电子元件，比如电阻、电容、电感、二极管、晶体管和运放，其本质上都是模拟的，而由这些组件组合而成的电路也通常是模拟的。

如上图所看到的，模拟电路的设计是非常有趣的，偶尔也会非常简单，例如两个电阻的组合就可以形成一个分压器；但是在 相同任务前提下， 模拟电路的设计又要比数字 电路难得多。此外， 模拟电路通常更容易受到噪声的影响，其电压电平的微小变化在处理时可能会产生明显的误差。

数字电路

数字电路通过离散信号进行操作，这些电路通常由晶体管、或逻辑门、或更高级别的微控制器、或计算机芯片组成。对于大多数处理器而言（无论是电脑中的大型处理器还是微控制器），都在数字领域中运行。

通常，数字电路通常使用二进制定义数字信号， 系统会将两个不同的电压分配为两个不同的逻辑电平：高电压（通常为5V，3.3V或1.8V）代表一个值，而低电压（通常为0V）代表另一个值。

模拟与数字的组合

回到我们的电驱动系统控制器中，如其核心器件Aurix就具有内部电路，可使其与模拟电路（模数转换器、脉宽调制、数模转换器）进行接口。 模数转换器（ADC） 允许Aurix连接到模拟传感器（如电流、电压、温度传感器），通过读取模拟电压，配合控制逻辑，以实现系统的各个功能。

5. ADC——连接模拟世界与数字世界的神器

模数转换器（ADC）具备一个神奇的特性，简单理解就是电影《黑客帝国》里连接模拟世界与数字世界的特异功能，遥想当年第一次看完《黑客帝国》那个心情，我是谁？我在哪？我来自哪里？我要去何方？。。。

扯远了，回到文章。。。

如下图所示的微控制器，其中引脚的标签（A0至A5）前面带有一个“ A”，表示这些引脚可以读取模拟电压。若 微控制器具有10位ADC，这意味着它能够检测1024（2^10）个离散模拟电平，若微控制器具有16位ADC（2^16 = 65,536个离散电平）。

ADC的工作方式非常复杂。最常见的技术之一是使用模拟电压为内部电容充电，然后测量通过内部电阻放电所需的时间，此时，微控制器监视电容放电之前经过的时钟周期数，该周期数就是ADC完成后返回的数目。

ADC与电压之间的转换成线性关系，如下公式，很好理解，这里不做赘述：

【Reference】

Jimblom, website-Sparkfun, "Analog vs, Digital".

Nate, website- Sparkfun, "Analog to Digital Conversion".