【導讀】本文介紹了基于SAR ADC的系統和基于sigma-delta (∑-Δ) ADC的分布式數據采集系統同步的傳統方法，且探討了這兩種架構之間的區別。我們還將討論同步多個(gè)Σ-Δ ADC時(shí)遇到的典型不便。最后，提出一種基于A(yíng)D7770采樣速率轉換器(SRC)的創(chuàng )新同步方法，該方法顯示如何在不中斷數據流的情況下，在基于Σ-Δ ADC的系統上實(shí)現同步。
摘要
本文介紹了基于SAR ADC的系統和基于sigma-delta (∑-Δ) ADC的分布式數據采集系統同步的傳統方法，且探討了這兩種架構之間的區別。我們還將討論同步多個(gè)Σ-Δ ADC時(shí)遇到的典型不便。最后，提出一種基于A(yíng)D7770采樣速率轉換器(SRC)的創(chuàng )新同步方法，該方法顯示如何在不中斷數據流的情況下，在基于Σ-Δ ADC的系統上實(shí)現同步。
簡(jiǎn)介
您是否曾經(jīng)想象過(guò)，自己正坐在一輛打破音障的超音速飛機上？自從協(xié)和式超音速?lài)娚淇蜋C退役后，這似乎已經(jīng)成了一個(gè)不可能實(shí)現的夢(mèng)想，除非您是一名軍機駕駛員或是一名宇航員。
身為一名電子工程師，我對一切事物的運作方式都非常著(zhù)迷，比如對布谷鳥(niǎo)鐘，我很好奇它的每個(gè)獨立系統如何與其他系統和諧地保持同步。
我們生活的各方各面也是這樣。我們生活在一個(gè)相互聯(lián)系的世界，一切都是同步的——從銀行服務(wù)器到智能手機的警報。區別就在于各種特定情況下要解決的問(wèn)題的大小或復雜性、不同系統的同步與所需的精度（或者容差），或者要同步的系統的大小。
分布式系統
在獨立設計中，使用的本地時(shí)鐘或振蕩器本身就會(huì )進(jìn)行同步。但是，當獨立設計需要集成到更廣泛的系統（我們稱(chēng)之為分布式系統）中時(shí)，問(wèn)題的角度會(huì )發(fā)生改變，獨立系統也應該根據用例進(jìn)行設計。
要計算一個(gè)系統中的電器的瞬時(shí)功耗，必須同時(shí)測量電流和電壓。
通過(guò)快速分析，您可以用三種不同的方法來(lái)解決問(wèn)題：
● 使用兩個(gè)同步單通道ADC來(lái)測量電流和電壓。
● 使用一個(gè)多通道同步采樣ADC，它的每個(gè)通道都可能有一個(gè)ADC，或者每個(gè)通道有一個(gè)采樣保持電路。
● 使用一個(gè)多路復用ADC，并且插入測量值，以補償電壓和電流測量之間的時(shí)間平移。
至此，您可能已經(jīng)獲得可以解決該問(wèn)題的可靠解決方案，但是，如果我們擴展系統需求，從原來(lái)的單件電器輻射到整個(gè)應用，必須測量整個(gè)工廠(chǎng)中的每個(gè)交流電源插座的功率呢？現在，您原有的瞬時(shí)功耗設計必須分布應用于整個(gè)工廠(chǎng)，而且要保證其設計能夠同時(shí)測量和計算每個(gè)交流電源插座功耗。
您現在面對的是一個(gè)分布式系統，它由一組相互獨立但又緊密相關(guān)的子系統組成。每個(gè)子系統需要提供在同一時(shí)間點(diǎn)采樣的數據，以便計算工廠(chǎng)的瞬時(shí)總功耗。
最后，如果我們繼續擴展假設的應用示例，想象一下，如果要將您的原始設計集成到國家電網(wǎng)之中?，F在，您檢測的是數百萬(wàn)瓦功率，任何一個(gè)鏈路出現問(wèn)題都會(huì )導致可怕后果，例如因為壓力導致的線(xiàn)路損壞，反過(guò)來(lái)，這又可能導致停電，造成可怕后果，例如火災，或者醫院停電。
因此，所有系統都必須準確同步，也就是說(shuō)，在整個(gè)電網(wǎng)中捕獲的數據必須是在同一時(shí)刻捕獲，無(wú)論各數據所處的地理情況如何，具體如圖1所示。
圖1.電網(wǎng)同步。
在這些情況下，您可以將其視為一個(gè)關(guān)鍵的分布式系統，且必須從每個(gè)感知節點(diǎn)獲得連續的、完全同步的數據流。
與電網(wǎng)示例類(lèi)似，這些要求也適用于航空航天或工業(yè)市場(chǎng)中的許多其他關(guān)鍵分布式系統示例。
奈奎斯特ADC和過(guò)采樣ADC
在開(kāi)始解釋如何同步多個(gè)ADC的采樣時(shí)刻之前，最好先了解每個(gè)ADC拓撲如何決定何時(shí)采樣模擬輸入信號，以及每種架構的優(yōu)缺點(diǎn)。
● 奈奎斯特或SAR ADC：該轉換器的最大輸入頻率由奈奎斯特或半采樣頻率決定。
● 過(guò)采樣或Σ-Δ ADC：最大輸入頻率一般與最大采樣頻率成比例，一般約為0.3。
一方面，SAR ADC的輸入信號采樣時(shí)刻通過(guò)施加于轉換開(kāi)始引腳的外部脈沖進(jìn)行控制。如圖2所示，將一個(gè)通用轉換開(kāi)始信號應用到被同步系統中每個(gè)SAR ADC上，它們都會(huì )在轉換起始信號的邊緣同時(shí)觸發(fā)采樣。只要確保信號之間沒(méi)有明顯的延遲，即轉換開(kāi)始脈沖在同一時(shí)刻及時(shí)到達每個(gè)SAR ADC，系統同步就很容易實(shí)現。注意，到達轉換開(kāi)始引腳的脈沖與實(shí)際采樣時(shí)刻之間的傳播延遲不能因設備而不同，在采樣速度相對較慢的精密ADC中，這種延遲不顯著(zhù)。
在應用轉換開(kāi)始脈沖之后的某個(gè)時(shí)間（也稱(chēng)為轉換時(shí)間），轉換結果將通過(guò)所有ADC的數字接口顯示。
圖2.同步基于SAR ADC的分布式系統。
另一方面，由于架構不同，Σ-Δ ADC操作也略有不同。在這種類(lèi)型的轉換器中，內部核心（即調制器）對輸入信號采樣的頻率（調制器頻率，fMOD）比奈奎斯特規定的最小頻率高，因此它被稱(chēng)為過(guò)采樣ADC。
通過(guò)按比嚴格需要的頻率更高的頻率采樣，能夠收集更多的樣本。然后采用平均濾波器對所有ADC數據進(jìn)行后處理，原因有二：
● 每4個(gè)平均樣本，噪聲降低1位。
● 平均濾波器轉換函數是一個(gè)低通濾波器。當∑-?架構將其量化噪聲推向高頻時(shí)，應該移除平均濾波器轉換函數，如圖3所示。所以，本次濾波由這個(gè)平均濾波器完成。
圖3.∑-?噪聲整形。
樣本的平均數量，即抽取率(N)，會(huì )決定輸出數據速率(ODR)，輸出數據速率是ADC提供轉換結果的速率，單位為樣本/秒，如公式1所示。抽取率通常是整數，帶有一組可在數字濾波器上離散編程的預定義值（即N = 32、64、128等）。因此，通過(guò)保持fMOD常量，ODR將根據預定義值集內的N值進(jìn)行配置。
平均過(guò)程通常由一個(gè)sinc濾波器在內部實(shí)現，調制器的模擬轉換開(kāi)始脈沖也在內部生成，因此不會(huì )從外部管控轉換過(guò)程觸發(fā)。這種類(lèi)型的轉換器實(shí)際會(huì )連續采樣，跟蹤輸入信號，并處理獲得的數據。一旦該過(guò)程（采樣和平均）完成，轉換器就會(huì )生成一個(gè)數據就緒信號，告知控制器數據可以通過(guò)數字接口回讀。
如圖4所示，∑-?的工作流程可以概括為四個(gè)主要步驟：
● 調制器以fMOD頻率對信號采樣。
● 通過(guò)sinc數字濾波器對樣本進(jìn)行平均。
● 對sinc濾波器提供的數據進(jìn)行偏移和增益校正。
● 數據就緒引腳切換，表示轉換結果已就緒，可由控制器回讀。
圖4.Σ-Δ ADC工作流程圖。
由于沒(méi)有從外部控制何時(shí)觸發(fā)內部采樣，所以如果要對分布式系統中的多個(gè)Σ-Δ ADC進(jìn)行同步，必須同時(shí)對所有數字濾波器實(shí)施復位，這是因為平均轉換啟動(dòng)是由數字濾波器控制的。
圖5顯示在所有Σ-Δ ADC都采用相同的ODR和fMOD的情況下，對同步產(chǎn)生的影響。
圖5.∑-?系統復位同步。
與基于SAR ADC的系統一樣，必須確保復位濾波脈沖同時(shí)到達各個(gè)子系統。
但是，請注意，數字濾波器每次復位時(shí)，數據流都會(huì )被中斷，這是因為濾波器必須重新設置。在本例中，數據中斷的持續時(shí)間由數字濾波器的順序、fMOD和抽取率決定。在圖6顯示的示例中，濾波器的LPF特性將延遲時(shí)間，直到生成有效的輸出。
圖6.由于數字濾波器的建立時(shí)間導致的數據中斷。
對分布式系統同步采樣的啟示
在分布式系統中，全局同步信號（我們稱(chēng)之為Global_SYNC）在所有模塊/子系統之間共享。此同步信號可以由主系統或第三方系統（例如GPS 1 pps）生成，如圖1所示。
接收到Global_SYNC信號后，每個(gè)模塊必須重新同步每個(gè)轉換器的瞬時(shí)采樣（很可能是其本地時(shí)鐘），以確保同時(shí)性。
在基于SAR ADC的分布式系統中，重新同步本質(zhì)上很簡(jiǎn)單，如前一節所述：本地時(shí)鐘（管理轉換開(kāi)始信號）再次與Global_SYNC信號匹配，之后同步獲得信號。
這意味著(zhù)要生成頻率雜散，因為在同步期間，會(huì )在不同時(shí)間和距離采集一個(gè)樣本，具體如圖7高亮藍色部分所示。在分布式應用中，這些雜散可能是可以接受的，而中斷數據流在某些應用中則確實(shí)至關(guān)重要，例如前面提到的電力線(xiàn)監視之類(lèi)的應用。
圖7.調整SAR ADC轉換過(guò)程，使之與全局同步信號匹配。
在基于∑-?的分布式系統中，重新與Global_SYNC信號同步的過(guò)程會(huì )稍微復雜一些，這是因為調制器會(huì )持續對模擬輸入信號采樣，而轉換過(guò)程也不像SAR ADC一樣從外部控制。
要對多個(gè)基于∑-?的分布式系統實(shí)施同步，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是重置數字濾波器：丟棄收集和存儲的要在平均濾波器上使用的所有調制器示例，并且清空數字濾波器。這意味著(zhù)：根據數字濾波器的順序，它需要一些時(shí)間才能再次確定其輸出，如圖5和圖6所示。
數字濾波器完成設置之后，會(huì )再次提供有效的轉換數據，但考慮到設置所花費的時(shí)間，在Σ-Δ ADC上重置數字濾波器可能導致的數據中斷是不可接受的。分布式系統需要重新同步的頻率越高，數據流中斷的次數就越多，而因為這種持續的數據流中斷，Σ-Δ ADC將無(wú)法應用于關(guān)鍵的分布式系統中。
傳統使用的最小化數據中斷的方法是使用可調諧時(shí)鐘，例如PLL，它可以降低全局同步頻率和fMOD頻率之間的誤差。
接收到Global_SYNC脈沖后，可以采用類(lèi)似以下的流程，計算Σ-Δ ADC轉換開(kāi)始和Global_SYNC脈沖之間的不確定性：
● 控制器計算采樣時(shí)刻（通過(guò)了解群延遲從數據就緒信號向后計算，如圖8所示）和Global_SYNC脈沖之間的時(shí)間差。群延遲是一份數據手冊規范，說(shuō)明從對輸入采樣到數據就緒引腳開(kāi)啟（表示樣本已經(jīng)就緒，可以讀?。┲g的時(shí)間間隔。
圖8.被采樣的模擬輸入和數據就緒切換之間的時(shí)間延遲。
● 如果采樣時(shí)刻和Global_SYNC之間存在時(shí)間差，那么本地控制器會(huì )量化這個(gè)時(shí)間差（tahead或tdelayed），如圖9所示。
圖9.量化每個(gè)ADC的采樣時(shí)刻（假設群延遲已知）和全局同步信號之間的時(shí)間差。
● 如果存在差異，可以重新設置∑-?濾波器，或者修改fMOD，以便在幾個(gè)采樣期間調整∑-?采樣。無(wú)論哪種情況，都可能漏掉幾個(gè)樣本。注意，通過(guò)改變局部時(shí)鐘頻率(fMOD)，Σ-Δ ADC會(huì )改變其輸出數據速率(ODR = fMOD/N)，如此，ADC會(huì )減慢或加快對模擬輸入采樣的速度，以期和系統中余下的ADC和Global_SYNC同步。
● 如果fMOD被更新，那么在同步之后，主時(shí)鐘頻率會(huì )恢復到原來(lái)的頻率，以返回到之前的ODR，而子系統則從該時(shí)刻開(kāi)始同步。
在一段時(shí)間內改變fMOD的過(guò)程如圖10所示。
圖10.同步方法，采用PLL來(lái)調諧調制器的頻率。
這種方法在某些情況下可能不適用，因為有幾個(gè)細節需要考慮：
● 將調制器頻率更改為非整數倍值可能是不實(shí)際的。
● 如果可以對頻率進(jìn)行微調，那么改變的頻率步長(cháng)必須很小，否則數字濾波器可能會(huì )超出限制，導致同步的實(shí)施時(shí)間變長(cháng)。
● 如果所需的ODR改變足夠大，可以通過(guò)改變抽取率(N)，而不是改變調制器頻率(fMOD)來(lái)解決，但是，這也意味著(zhù)會(huì )丟失一些樣本。
● 使用PLL意味著(zhù)在達到期望的調制器頻率之前，除了自身的建立時(shí)間之外，還會(huì )額外消耗功率。
一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統的復雜性和成本會(huì )隨著(zhù)系統規模的增大而增加，特別是與SAR ADC相比，對于后者，只需要將轉換開(kāi)始調整到與Global_SYNC信號匹配，即可輕松解決這個(gè)問(wèn)題。此外，在許多情況下，因為存在上述系統限制，所以Σ-Δ ADC無(wú)法使用。
不中斷數據，輕松重新同步Σ-Δ ADC
AD7770系列產(chǎn)品（包括AD7770、AD7771和AD7779）具有內置SRC。隨著(zhù)這種新架構推出，固定的抽取率(N)導致的限制將不復存在。
SRC允許您采用十進(jìn)制數（而不僅僅是整數）作為抽取率(N)，因此，您可以采用所需的任何輸出數據速率。在之前的同步方法中，由于N是固定的，所以必須更改外部時(shí)鐘來(lái)調節fMOD，之后才能實(shí)施同步。
使用AD7770系列產(chǎn)品之后，N會(huì )變成可靈活編程，以及可隨時(shí)編程的值，所以無(wú)需更改fMOD，也無(wú)需中斷數據，即可對ODR編程。
這種對基于∑-?的子系統重新同步的新方法利用SRC來(lái)簡(jiǎn)化重新同步過(guò)程，最大程度地簡(jiǎn)化了前面章節提到的復雜性。
新方法如下：
● 接收到Global_SYNC信號之后，各子系統檢查采樣是否同步，以數據就緒信號為參考，利用群延遲查找實(shí)際采樣時(shí)刻。
● 如果采樣時(shí)刻和接收到Global_SYNC信號的時(shí)間之間存在時(shí)間差，那么本地控制器會(huì )量化這個(gè)時(shí)間差（tahead或tdelayed），如圖9所示。
● 這時(shí)，會(huì )對一個(gè)新的ODR編程，使其通過(guò)SRC更改抽取率(N)，從而臨時(shí)生成更快或更慢的ODR。整個(gè)重新同步操作一般會(huì )用到4個(gè)樣本（如果在A(yíng)D7771上啟用了sinc5濾波器，則需要6個(gè)），但是因為這些樣本仍然有效且完全設置，所以不會(huì )導致數據流中斷。
● 一旦接收到所需數量的DRDY，就會(huì )重新設置抽取因數，以返回所需的ODR，如此可以保證Σ-? ADC與其余子系統保持同步，如圖11所示，其不造成數據中斷。
圖11.采樣速率轉換器動(dòng)態(tài)調整ODR，以便在所有設備上重新同步采樣。
結論
關(guān)鍵分布式系統需要所有子系統同步進(jìn)行轉換，且具備持續的數據流。
SAR轉換器提供一種直觀(guān)的重新同步采樣方法：通過(guò)重新調整轉換開(kāi)始信號，使其與Global_SYNC脈沖匹配。
在需要高動(dòng)態(tài)范圍(DR)或信噪比(SNR)的應用中，SAR不可使用，但是傳統Σ-?轉換器也變得難以使用，因為這些轉換器不具備靈活性，無(wú)法在不中斷數據流的情況下重新調節。
如示例所示，SRC提供了一個(gè)無(wú)縫同步例程，與其他解決方案相比，它的延遲更小、成本和復雜性更低。
SRC可以在許多應用中一展所長(cháng)。與電力線(xiàn)監控示例一樣，任何線(xiàn)路頻率變化都可以通過(guò)立即動(dòng)態(tài)改變抽取率來(lái)補償。如此，保證電力線(xiàn)的采樣頻率始終一致。按照本文所示，在關(guān)鍵分布式系統中，SRC也可用于高效重新同步系統，不會(huì )造成數據流中斷，也不需要采用額外的元器件，例如PLL。AD7770解決了對基于Σ-Δ ADC的分布式系統進(jìn)行同步的傳統問(wèn)題，不會(huì )丟失樣本，也不會(huì )像基于PLL的方法一樣，額外增加成本和復雜性。
（來(lái)源:ADI公司，作者：Lluis Beltran Gil）
