導語：喜歡科幻電影的小夥伴應該對文章封面不會陌生，沒錯！這就是《黑客帝國》裡面的經典畫面，遙想當年第一次看完那個心情：我是誰？我在哪？我來自哪裡？我要去何方？。。。今天我們就來聊聊電驅動控制系統的微處理器是如何通過“神器”-數模轉換器(ADC)，與我們所處的模拟世界建立聯系的？借此對數字信号、模拟信号，以及相關電路做下介紹。

本文按如下邏輯展開：

1. 模拟世界與數字世界

2. 模拟信号

3. 數字信号

4. 模拟電路與數字電路

5. ADC——連接模拟世界與數字世界的神器

1. 模拟世界與數字世界

我們所處的世界，是一個由用無限多種顔色、無數種音調，無數種氣味繪制而成的世界，所有的這些元素都可以理解成一個模拟信号，這些模拟信号構成了我們這個世界的無線可能。

數字信号和描繪的對象是離散且有限的，可以通過一組有限的數據來定義。可能是255到4,294,967,296中的任何值（隻要不是∞）。

我們如果想讓電動汽車按自己的意圖跑起來，就要對動力總成進行控制，就需要我們通過某種手段，讓它與我們的真實的模拟世界進行交互。這就需要我們在輸入、輸出方面對模拟型号和數字信号進行處理，但是 ，大多數的微處理器、計算機、邏輯單元都是純數字的！這就好比是兩種不同的語言，有些組件是雙語的，而有些組件隻能理解或說出其中一種，那究竟要怎麼辦?

2. 模拟信号

在進一步讨論之前，我們應該先聊聊一下信号的實際含義，特别是電子信号，如交通信号、通訊信号等。這些電子信号是一種随時間變化的量化信息，在電氣工程領域，通常指的是電壓。因此，當我們談論信号時，将其視為随時間變化的電壓即可。

信号通過在設備之間傳遞，實現信息的發送與接收，這些信息可能是視頻，音頻或某種編碼數據。通常， 信号是通過電線傳輸的，但是它們也可以通過射頻（RF）波在空中傳播。例如，音頻信号可能會在計算機的聲卡和揚聲器之間傳輸，而數字信号可能會在平闆電腦和WiFi路由器之間通過 空氣 傳輸。

那麼模拟信号究竟是什麼樣子呢?

由于信号會随時間變化，因此将其繪制在一個圖表上幫助理解：x軸-時間，y軸-電壓。通過信号圖可以直觀判斷出數據類型，模拟信号的時間-電壓曲線應該是光滑且連續的，如下圖：

例如，我們日常看的的視頻和聽的音頻，就是通過使用模拟信号進行傳輸或記錄的（通常而言）。例如，從RCA端子發出的複合視頻是一種編碼的模拟信号，通常定義在0到1.073V之間，其信号的微小變化會對視頻的顔色或位置産生巨大影響。

3. 數字信号

數字信号一定是由一組有限的數據組成，電氣工程領域中，最常見的數字信号是0V或5V，如下圖”方波“所示：

數字信号也可以是通過離散數據表達的模拟波形，如下圖所示：整體來看，其構成的波形是光滑的，像模拟信号一樣；但放大之後，會發現其實是由微小 的離散信号組成。

因此，可以看出，模拟信号與數字信号最大的不同：模拟信号是光滑且連續的，數字信号是步進的方波，且離散。

我們仍然以視頻和音頻信号為例，例如用于視頻（和音頻）的HDMI，以及用于音頻的MIDI或AC'97均以數字方式進行傳輸，如下圖：

4. 模拟電路與數字電路

模拟電路

大多數基本電子元件，比如電阻、電容、電感、二極管、晶體管和運放，其本質上都是模拟的，而由這些組件組合而成的電路也通常是模拟的。

如上圖所看到的，模拟電路的設計是非常有趣的，偶爾也會非常簡單，例如兩個電阻的組合就可以形成一個分壓器；但是在 相同任務前提下， 模拟電路的設計又要比數字 電路難得多。此外， 模拟電路通常更容易受到噪聲的影響，其電壓電平的微小變化在處理時可能會産生明顯的誤差。

數字電路

數字電路通過離散信号進行操作，這些電路通常由晶體管、或邏輯門、或更高級别的微控制器、或計算機芯片組成。對于大多數處理器而言（無論是電腦中的大型處理器還是微控制器），都在數字領域中運行。

通常，數字電路通常使用二進制定義數字信号， 系統會将兩個不同的電壓分配為兩個不同的邏輯電平：高電壓（通常為5V，3.3V或1.8V）代表一個值，而低電壓（通常為0V）代表另一個值。

模拟與數字的組合

回到我們的電驅動系統控制器中，如其核心器件Aurix就具有内部電路，可使其與模拟電路（模數轉換器、脈寬調制、數模轉換器）進行接口。 模數轉換器（ADC） 允許Aurix連接到模拟傳感器（如電流、電壓、溫度傳感器），通過讀取模拟電壓，配合控制邏輯，以實現系統的各個功能。

5. ADC——連接模拟世界與數字世界的神器

模數轉換器（ADC）具備一個神奇的特性，簡單理解就是電影《黑客帝國》裡連接模拟世界與數字世界的特異功能，遙想當年第一次看完《黑客帝國》那個心情，我是誰？我在哪？我來自哪裡？我要去何方？。。。

扯遠了，回到文章。。。

如下圖所示的微控制器，其中引腳的标簽（A0至A5）前面帶有一個“ A”，表示這些引腳可以讀取模拟電壓。若 微控制器具有10位ADC，這意味着它能夠檢測1024（2^10）個離散模拟電平，若微控制器具有16位ADC（2^16 = 65,536個離散電平）。

ADC的工作方式非常複雜。最常見的技術之一是使用模拟電壓為内部電容充電，然後測量通過内部電阻放電所需的時間，此時，微控制器監視電容放電之前經過的時鐘周期數，該周期數就是ADC完成後返回的數目。

ADC與電壓之間的轉換成線性關系，如下公式，很好理解，這裡不做贅述：

【Reference】

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

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

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