如果說電機驅(qū)控決定了移動機器人執(zhí)行層的基本能力，那感應模塊的性能就決定了移動機器人感知層的水平。這里說的感應模塊并不只具體到機器人所配置的超聲波、激光雷達這一層，而是具體到超聲波、激光雷達所應用的半導體元件上。


一般來說，移動機器人感應模塊通常需要具有集成或分立數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高速信號鏈以及計算模塊之間的高速低延遲通信。對于移動機器人感知層這種極其要求實時性的模塊來說，感知層如果無法做到對環(huán)境數(shù)據(jù)的實時抓取與傳輸，那么顯然這個移動機器人是不夠“智能化”，不夠“自主化”的。




激光雷達模塊是現(xiàn)在移動機器人應用最多的子系統(tǒng)，所以我們不妨從激光雷達來看其中的半導體元件。高速信號鏈肯定是離不開ADC的，激光雷達模塊中所應用到的ADC無疑比其他傳感器上所有的ADC要求要高一些，尤其是對于“高速”這個要求。


TI 機器人感應模塊ADC應用


對于移動機器人激光雷達模塊的ADC應用來說，大于10 MSPS的數(shù)據(jù)吞吐速率是必需的，即便是普遍的ToF系統(tǒng)也需要高轉(zhuǎn)換速率，更不用說以后可能會應用的FMCW系統(tǒng)對ADC速率更高的要求了。


TI在此應用上推出的是ADC324X這個系列，雙通道125 MSPS的14 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器。25 MSPS至125 MSPS的轉(zhuǎn)換速率專門應用于具有寬動態(tài)范圍需求且要求苛刻的高輸入頻率信號。


（圖源：TI）


整個系列的信噪比SNR水平在73.3dB左右，SFDR在94dB左右，這種高性能可以帶來很多優(yōu)勢，比如在激光雷達模塊中為雷達與成像技術提供更高的分辨率。考慮到實際工況，14 bit的ADC324X系列的ENOB為11.8 bit，這是十分接近理論分辨率的有限分辨率了，很多在同信號頻率和速率范圍內(nèi)的ADC其ENOB都在11.5左右。


ADC324x支持串行低壓差分信令（LVDS）與1分頻、2分頻以及4分頻的靈活輸入時鐘緩沖器，從而減少接口線路的數(shù)量來實現(xiàn)高系統(tǒng)集成度。串行LVDS接口為雙線制，通過兩個LVDS對串行輸出每個ADC數(shù)據(jù)。內(nèi)部鎖相環(huán)會將傳入的ADC采樣時鐘加倍，以獲得串行輸出各通道的14位輸出數(shù)據(jù)時所使用的位時鐘。


該系列在最大轉(zhuǎn)換速率125 MSPS下，每個通道還能實現(xiàn)116mW的超低功耗。超低功耗這一指標永遠具有吸引力。在支持斬波、多芯片同步、高等級通道隔離以及內(nèi)部抖動的高性能ADC系統(tǒng)下，超低的功耗無疑為整個感知模塊起到了相當大的減負作用。除此之外，當 SYSREF輸入實現(xiàn)整個系統(tǒng)同步時，時鐘輸入分頻器也將給予系統(tǒng)時鐘架構設計更高的靈活性。


ADI 激光雷達ADC應用


ADI 很多信號處理解決方案都能增強激光雷達系統(tǒng)的能力。從放大器到DAC ，從比較器到高速多通道ADC，ADI針對感知模塊上應用的ADC在動態(tài)范圍、功耗、帶寬、SNR上都有著領先的性能。


（圖源：ADI）


在這些應用的半導體元件中，AD9094是極其突出的應用于高頻輸入信號采樣的8位1 GSPS 四通道ADC。AD9094經(jīng)過專門設計，能夠?qū)Ω哌_1.4 GHz的寬帶寬模擬信號進行采樣。從信噪比SNR來看，AD9094的SFDR為71dBFS（@611 MHz），SNR為48.6dBFS，SINAD為48.5dBFS，在611 MHz的信號頻率下這個信噪比水平是絕對的行業(yè)標桿。


在這個高速的四通道ADC上，多級差分流水線架構可以實現(xiàn)靈活的JESD204B通道配置。同時每一個通道都具有極低的功耗。速率為1 GSPS時總功率1.6W，也就是說單個通道僅有400mW的功耗。AD9094還提供靈活的關斷選項，可以在必要時大幅度再降低功耗。寬輸入帶寬、高采樣速率和高工作線性度再搭配上低功耗，對于移動機器人感知層來說已經(jīng)能提供最大的助力。


再加上集成式的寬帶抽取濾波器和數(shù)控振蕩器（NCO）模塊、用于系統(tǒng)熱管理的片內(nèi)溫度二極管以及片內(nèi)抖動等等各種模塊功能，高性能的感知層更好地實現(xiàn)了信號鏈高速以及模塊間的高速低延遲。


小結


以上都是具體到激光雷達模塊應用的ADC在探討，也不難看出在這種設計里不僅僅只需要ADC有高速的性能，或者說高速是最基本的。如何在給予系統(tǒng)高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率同時給予這個系統(tǒng)更高的靈活度、更高的集成性、更好的信號處理以及更低的功耗才是最重要的。