汽车系统中的调适性速度控制应用

目前，用于定距测量(量度距离)的电子系统包括有SONAR (声纳导航及测距)、RADAR(无线电方向及测距)和LIDAR(光线检测及测距) 等种类。基本上，这些系统都是采用相同的原理来测量与对象(目标)间的距离，它们均包含有一个能量源以及一个检测反射信号和分析这些信号以获取有关目标信息的方法。然而，当中最普遍的应用便是测量目标物的距离。

RADAR 一般用以检测及监视比较大型的物体，像是飞机及汽车等。至于SONAR，它一般会用来侦测和监视水中的物体，例如是潜水艇和鱼类等。而LIDAR则是一项相对较新的技术，可从事多种应用，例如是建筑方面的测距、军事定距测量，以及公路收费亭的汽车检测和汽车间的距离测量等。

LIDAR的其中一项最新应用是汽车调适性速度控制。在此类应用中，巡航控制的驾驶速度可按驾驶者的意愿来决定，如同其它的巡航控制系统一样。一旦当汽车驶近一辆速度较慢的汽车时，调适性速度控制能够自动减速以配合前车的速度，与前车保持着安全的距离。
本文将讨论此项应用的原理，并提供低廉设计成本的汽车调适性速度控制电路前端的方法。

系统的选择

这种系统所用的方法包括有连续波(CW)信号和脉冲信号。CW系统的运作原理是目标会反射一个传送信号的相位位移版本信号回来，而在接收器中的相位比较器会将反射回来的相位位移信号与原本的信号作比较，最后传送信号与接收信号之间的相位差别变化速度会用来决定距离及距离变化之速度，或两者的闭合速率。

在脉冲雷射系统中，短光脉冲被送出及接收，而其飞行时间(TOF)和它的变化速率会用来决定目标的距离和闭合速率。

这些系统均需使用一个电子信号源、功率放大器、发射信号的发送器、接收传感器、放大器、信号调节器和可把接收信号数字化并送到内存的高速模拟/数字转换器，当中DSP、FPGA或微控制器会在较低的速率下将数据恢复以供处理。

不过，CW系统在汽车应用中的主要缺点是成本较高，而LIDAR系统则采用脉冲雷射以提供一个成本效益较高的方案，故受到设计人员的欢迎。

系统要求

系统的测距成效评估会根据几项因素，包括传送信号的峰值功率、信号的离散和发散、信号传播的媒介、目标的反射性以及接收器的灵敏度等。
至于对一个目标的可测最大距离范围则根据雷射输出的功率、接收器的光学敏感度，以及大气传送光学能量的效率和激光束偏离完美直线的程度。

对于接收器的低光度检测器而言，现有3种基本选择，分别是硅PIN检测器、硅雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管。当中APD被广泛使用在各式应用中，原因是它可提供比其它检测器高的速度和敏感度。
接收器APD可按照投射光量的比例把接收回来的光线脉冲转换成电流，接着一个互阻抗放大器会把这些电流再转换成一个电压。

正如所有模拟系统一样，要达至低噪声，便需在信号路径的最早段提供最佳的噪声效能表现，所以这部份必需使用低噪声和高增益的组件。
一个良好的互阻抗放大器应具备高增益、高输入阻抗、超低的电压和电流噪声，以及低的输入电容。互阻抗放大器的输出会被放大，并且有可能需要在送到ADC前再经进一步的信号调理，之后才进行数字化。

与距离较接近的目标比较，从较远目标接收回来的信号一般都比较弱，因此接收器的敏感度必需够高以便能检测强和弱的信号，这意味系统的动态范围必须够宽阔。故此，100 dB的系统动态范围要求并不算严苛，而且一般可经由在ADC前放置一个模拟可变增益放大器(VGA)或一个数字可变增益放大器(DVGA)来达成。

假如所用的ADC有一个差动输入的话，那便需动用一个单端到差动转换器，这可由美国国家半导体的LMH655x系列产品来实现。在信号抵达ADC前的最后一段放置一个电压放大器，该处的单端转换器并不能依靠所指定的频宽来提供足够的增益。对于这些差动电路来说，LMH655x系列亦可解决这个问题。
在这些系统的接收信号路径中的最重要组件是ADC，它的工作是把从目标反射回来的能量数字化。

图1表示接收器的简化方块图，当中FIFO可合并入FPGA内，但如果它能整合在与ADC同一块电路片上时，那效果可能更佳。

ADC的要求

测量TOF(定距测量)的准确度将取决于雷射的脉冲宽度和所选用ADC的速度和准确度，因此在这个接收信号路径部份中所用的ADC是最重要的模拟组件，因为它负责把从目标反弹回来的脉冲信号数字化。
ADC最低限度的最样率应为：
Min fS = (c / res)  样本每秒
当中
fS = ADC 取样率
c = 光速
res = 距离分辨率
在上述数式中，"c" 和 "res"的量度单位必须一致，换句话说假如"res"是以英尺来量度，那"c"的单位必须是以每秒多少英尺来计算。
对于汽车LIDAR系统来说，它的测距准确性要求将会以每级±3英尺来计算。由于测距属于来回性质的TOF，故所要求的测量分辨率便是3英尺的两倍，即是6英尺。考虑到光速为每秒行走299,792,458米(一般约简为每秒3 x 108 m)或每秒9.84 x 108英尺，ADC的最低限度取样率应为：
Min fS = (c / res) 样本每秒
= (9.84 x 108 ft/sec) / 6ft 
= 163.9百万样本每秒
为作复查，将取样时间间隔定为：
取样时间间隔= 1 / fS = 1 / 1.639E8 = 6.1ns.
在特定时间内信号来回移动的距离为：
距离 = 信号速度 x TOF
由于这是来回的路程距离，单程便是上述数值的一半，而距离分辨率的计算亦相同。
信号的速度(即光速) 为 9.84 x 108 ft/sec 而飞行时间则为 6.1 ns：
分辨率= 9.84 x 108 ft/sec  x  6.1 x10-9 sec /2
= 3 英尺
正如前面所述，将缓冲器整合至ADC同一块电路片上将带来好处，例如ADC08B200就是这种产品，包含有一个速度达200 Msps的ADC和一个1kB的片上缓冲器。此外，ADC08B200还包含有一个片上时脉乘法器，因此就是外部时脉的速率低至25 MHz都可获得200 Msps的速度。
在200 Msps下使用ADC08B200，所得出的来回距离分辨率为：
分辨率= c / fS / 2
分辨率 = 9.84 x 108 ft/sec / 2 x 108 sec / 2
= 2.46 英尺
与需要把缓冲器并在一起的FPGA或DSP比较，将缓冲器并入ADC内，可缩减FPGA或DSP的尺寸，而且亦可免除使用独立的FIFPO器件。
以上这些优点都使ADC08B200成为汽车 LIDAR 调适性速度控制系统中的最理想组件选择。

LIDAR系统的ADC电路

汽车LIDAR接收器设计的核心便是ADC08B200，如图2的系统方块图所示，可大大简化接收器的设计。除了包含模拟/数字转换器外，ADC08B200还设有一个时脉乘法器，可令设计人员轻易及廉价地获取低频时脉振荡器和一个1kB的缓冲器，从而纾缓FPGA、DSP或微控制器对速度和复杂度的要求。

时脉乘法器可把输入时脉的频率乘大1、2、4和8倍，这样便可使用速度低至25 MHz的时脉源，但最后又可得出速度达200 Msps的运作。如果有需要的话，ADC08B200的外部时脉源可以与FPGA、DSP或微控制器的时脉一样。
缓冲器可以在200 MHz以下的任何速度来读取，另外该缓冲器亦可被旁路不用，而在这情况下时，数据会以ADC的取样率不断地串流出。

为了尽量减低平均功耗，ADC08B200的ADC核心可以当缓冲器被读取时关机。此外，当要保持系统的功率而又不使用数据转换器时，那甚至可将整个ADC08B200包括当中的缓冲器关闭。 

ADC08B200电路

图3表示ADC08B200周遭的电路设计，其效果十分简单直接。当参考电压低至1V的时候，这设计可得出最佳的效能，而把参考电压维持在低水准，可有助纾缓来自APD信号的增益要求，因此这设计采用1.2V的LM4041-12分流参考来为ADC08B200提供在接地的最高和最低参考。当然，假如来自放大器、VGA或DVGA的最低输出不到接地的话、那最低参考便会升离接地以适应这状况。
配合1.2V参考电压和145Ω的最低ADC参考梯度电阻，那最高的参考电流便为8.3mA，而LM4041-1.2的最高电流则被指定在15 mA。在设计上，假如ADC08B200出现不正常时，那设计应可防止有超过15 mA的电流经过LM4041-1.2，因此参考上拉电阻器的最低数值应为：

(3.6V - 1.2V) / 15 mA = 240 Ohms
数式中的3.6V是3.3V电源的最高容差值，采用一个270Ω的电阻器可尤许5%的容差。

ADC08B200的MULT1输入为高而MULT0输入为低，从而将50 MHz的时脉输入乘大4倍以得出200 Msps的速率。由于BSIZE0和BSIZE1两个都设置成高，所以要应用1024字节的最大缓冲器容量。有关使用这些引脚的数据，可参考ADC08B200的数据表。
读取时脉RCLK由FPGA驱动，它是用来读取ADC08B200缓冲器内的数据，而来自ADC08B200的DRDY信号则用来把数据锁存在FPGA内。
当PD接脚被接地，ADC08B200不会完全关机。可是，由于需要降低把功耗，所以量化器会在FPGA的控制下经PDADC接脚来关闭。当PDADC引脚处于高电位时，那ADC本身会被关机，但缓冲器仍维持活动，所以可被读取。

总结

面对极富挑战性的测距系统设计，美国国家半导体的ADC08B200可有助减少电路的尺寸和成本，同时可消除系统设计的负担。