車載システムにおけるADC : 安全性と性能の向上
近年、自動車分野では自動化とデジタル化の傾向が顕著になっています。最近の自動車は、先進運転支援システム (ADAS) からエンターテイメントシステムに至るまで、デジタル技術への依存度がますます高まっています。これらのシステムの中核であるアナログ・デジタルコンバータ (ADC) は、実際のアナログ信号を車両のコンピュータシステムで処理できるデジタルデータに変換するために不可欠です。本稿では、性能と安全性を改善するための自動車システムにおけるADCの使用について説明します。
車載システムのADCの理解
ADCは、異なるセンサからのアナログ信号をデジタルデータに変換するために車載システムで利用されています。これらのセンサは、圧力センサや温度センサからレーダーや光センサまでいろいろなものがあります。車内のコンピュータシステムは、これらのセンサからのデジタルデータを使用して、選択を処理し、さまざまな操作を管理し、運転手に通知できます。
高精度ADCの優れた分解能と精度は、車載システムの一般的な選択肢となっています。アナログ信号の複雑さと特徴は、これらのADCによって正確に捕らえられ、正確で信頼できる判断を下すために利用できる高品質のデジタルデータを生成します。
車載用ADCの種類
ほとんどすべての車両制御装置は、ある程度、入力電圧をモニタしなければなりません。例えば、これらすべては、電力を供給するためにどれだけのバッテリー電圧が使用されているかを知りたいはずです。すべての制御部品にマイクロコントローラICが使用されています。この作業のために、マイクロコントローラにはADC周辺機器が内蔵されています。しかし、かなり迅速かつ正確に測定を行うことができる独立したディスクリートADC集積回路が、ハイエンド測定のための制御ユニットに含まれている場合もあります。次に、マイクロコントローラは、I2CおよびUART通信チャネルを使用して、これらの測定結果をデジタル的に読み取ります。
SAR ADC
逐次近似レジスタ (SAR) ADCは、その高速な処理速度と低い電力要求により、車載システムで頻繁に使用されます。それらは、二分探索アルゴリズムを使用して入力信号に最も近い一致を見つけることによって動作します。この場合、出力値は、入力信号と比較したときに、入力信号が基準電圧のセットより大きいか小さいかによって変化します。SAR ADCの主な構成要素を次の図に示します。
図1 : SAR ADCのブロック図
SAR ADCにはサンプリングコンデンサが使用されます。このコンデンサは、スイッチS1が左に回されると、希望のアナログ入力電圧に充電されます。この電圧は、S1を右に回したときのDAC出力と比較されます。VREF (最大ADC基準電圧) ～ 0Vの範囲までの電圧レベルは、DAC (デジタルアナログコンパレータ) によって供給できます。ADCは、さまざまなDAC出力値をサンプリングした電圧と繰り返し比較して、それらが大きいか小さいかを確認します。入力電圧が高いほどローカルビット値が1であることを示し、入力電圧が低いほどローカルビット値が0であることを示します。アナログ信号入力は、この反復プロセスを通してデジタル化され、ビットストリームを生成します。
SAR ADCは、ブレーキシステムや先進運転支援システム (ADAS)など、素早い応答時間が不可欠な状況で特に役立ちます。
デルタシグマADC
高い分解能と精度が必要な場合、車載システムはデルタシグマADCを使用します。それらは、ナイキスト速度よりもはるかに速い速度で入力信号をサンプリングすることを伴う、オーバーサンプリングとして知られる技術を使用することによって動作します。ノイズシェーピングとこのオーバーサンプリングの組み合わせにより、デルタシグマADCは非常に高いレベルの精度と正確さに到達することができます。
図2 : デルタシグマ ADCのブロック図
デルタシグマ変調器の入力は、我々からアナログ入力電圧を受け取ります。出力は、各パルス幅が入力電圧の振幅に対応するパルス波となります。パルス波は高周波雑音でひどく汚染されていますが、それはアナログ入力電圧のようです。そこで、このパルス波にデジタルフィルタをかけます。このノイズはデジタルフィルタによって低減されており、出力がアナログ入力電圧を正確に反映していることがわかります。ただし、オーバーサンプリングにより、このデータは制御ユニットが管理するには多すぎるため、デシメータブロックがそれに続きます。オーバーサンプリングされたデータを処理可能にするために、デシメータは単にデータレートを低下させます。
燃料噴射システムやエンジン制御ユニット (ECU) など、正確な測定を必要とするアプリケーションでは、デルタシグマADCを使用することで大きなメリットが得られます。
ADCによる安全性の向上
ADCは現代の自動車の安全性を向上させるために不可欠です。例えば、車両の安全機能には、ADAS、ブレーキシステム、および安定性制御システムが含まれます。
ADCは、例えば、レーダーセンサやカメラからのアナログ信号をデジタル情報に変換するためにADASで使用されます。このデータを処理することで、ステアリング、ブレーキ、およびアクセルを選択でき、他の車、歩行者、および障害物の検出を行うことができます。
ブレーキシステムにおいて、圧力センサからのアナログ情報をデジタルデータに変換するためにADCは利用されます。このデータを処理して各車輪に供給される制動力の量を調整することで、車両の安定性を向上させることができます。
ADCによるパフォーマンスの向上
ADCは現代の自動車の性能を向上させるために不可欠です。これは、燃料噴射システム、トランスミッション制御システム、エンジン制御システムなど、多くの性能システムで利用されています。
例えば、エンジン制御システムにおけるADCのベストな用途は、温度センサ、圧力センサ、および酸素センサなどの異なるセンサからのアナログ信号をデジタルデータに変換することです。次に、このデータを処理して、燃料噴射、点火タイミング、およびスロットル制御を含むその機能の異なる部分を管理することによって、エンジンの性能および効率を向上できます。
ADCは、圧力センサおよび温度センサを含む異なるセンサからのアナログ信号をデジタルデータに変換するために、伝送制御システムで利用されます。このデータを使用してトランスミッションの機能を制御し、車両の効率と操縦性を向上させることができます。
ケーススタディ : 車載アプリケーションにおけるADC
ADCは、性能および安全システムを含む様々な車載アプリケーションに使用されています。ここでは、いくつかの特定のアプリケーションをより詳しく調べ、ADCがどのようにパフォーマンスと安全性を向上させるかを検討します。
先進運転支援システム (ADAS) におけるADC
先進運転支援システム (ADAS) が提供する自動運転支援の例としては、アダプティブクルーズコントロール、車線維持支援、自動緊急ブレーキなどがあります。他の車、歩行者、障害物を識別するために、これらのシステムは、レーダーセンサ、LIDARセンサ、カメラなどのさまざまなセンサに依存しています。以下の図は、ADASシステムの主要部品を示しています。
図3 : ADAS主要部品
様々なセンサからのアナログ信号をデジタルデータに変換することにより、ADCはADASにおいて重要な役割を果たします。車のコンピュータシステムはこのデータを使用して、ステアリング、ブレーキ、アクセルの選択を処理できます。
たとえば、アダプティブクルーズコントロールシステムでは、レーダーセンサを使用して前の車までの距離を測定することができます。ADCは、レーダーセンサからのアナログ信号をデジタルデータに変換し、それを処理して、安全な車間距離を維持するために車両の速度を変化させます。
その迅速な反応時間により、高速SAR ADCをこのアプリケーションで使用できます。反応時間が短いため、システムは前の車との距離の変化に迅速に反応し、運転の快適性と安全性を向上させます。
エンジン制御システムにおけるADC
エンジンの性能および経済性を最大にするために、エンジン制御システムは、燃料噴射、点火タイミング、およびスロットル制御を含む、その機能の多くの要素を調整します。エンジンの動作特性は、温度、圧力、酸素センサなどのさまざまなセンサを使用してこれらのシステムによって追跡されます。次の図は、エンジン制御ユニットが使用するさまざまなセンサを示しています。
図4 : ECUメインセンサ
これらのセンサからのアナログ入力は、エンジン制御システムの重要な構成要素であるADCによってデジタルデータに変換されます。エンジン制御ユニット (ECU) はこのデータを使用して、エンジンの機能の多くの要素を処理できます。
例えば、燃料レール内のガソリンの圧力を測定するために、燃料噴射システム内で燃料圧力センサを使用することができます。ADCは、アナログ燃料圧力センサ入力をデジタルデータに変換し、その後処理をして、エンジンに噴射されるガソリンの量を調整します。
その優れた分解能と精度のために、高精度のデルタシグマADCをこのアプリケーションに使用することができます。このシステムはエンジンに噴射されるガソリンの量を正確に管理でき、その高い分解能と精度によりエンジンの性能と経済性を向上します。
結論
実際のアナログインパルスをデジタルデータに変換できるADCは、現代の車両システムにおいて不可欠な部品です。高精度ADCは、その優れた分解能と精度により、これらのシステムの性能と安全性を劇的に向上し、より安全で、より効果的で、より楽しい車につながる可能性があります。自動車市場がデジタル化と自動化に向けてさらに発展し続けるにつれて、ADCの機能は重要性を増し、自動車技術の将来を決定するでしょう。
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