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电动汽车动力总成解读︱模拟世界与数字世界

来源:贝博    发布时间:2024-12-13 05:59:52

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

  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?我来自什么地方?我要去何方?。。。今天我们就来聊聊电驱动控制管理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,和相关电路做下介绍。

  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,所有的这些元素都能够理解成一个模拟信号,这些模拟信号构成了我们这样一个世界的无线可能。

  数字信号和描绘的对象是离散且有限的,能够最终靠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,就要对动力总成来控制,就要求我们通过某种手段,让它与我们的真实的模拟世界进行交互。这就要求我们在输入、输出方面对模拟型号和数字信号做处理,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?

  在进一步讨论之前,我们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,这一些信息可能是视频,音频或某种编码数据。通常, 信号是通过电线传输的,但是它们也能够最终靠射频(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。

  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,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。

  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:总的来看,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,能够准确的看出,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AC97均以数字方式来进行传输,如下图:

  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,模拟电路的设计是很有趣的,偶尔也会格外的简单,例如两个电阻的组合就能形成一个分压器;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非常明显的误差。

  数字电路通过离散信号做相关操作,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。

  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。

  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?我来自什么地方?我要去何方?。。。

  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,这在某种程度上预示着它能够检测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的工作方式很复杂。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。

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