同步關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)時，新型Σ-ΔADC架構(gòu)可避免中斷的數(shù)據(jù)流

　　Lluis?Beltran?Gil?（ADI公司?精密轉(zhuǎn)換器部SAR?ADC應(yīng)用團(tuán)隊，西班牙?瓦倫西亞）

　　摘?要：介紹了基于SAR ADC的系統(tǒng)和基于sigma-delta (∑-Δ) ADC的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步的傳統(tǒng)方法、探討了這兩種架構(gòu)之間的區(qū)別，并討論了同步多個Σ-Δ ADC時遇到的典型不便。最后，提出一種基于AD7770采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)的創(chuàng)新同步方法，該方法顯示如何在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下，在基于Σ-ΔADC的系統(tǒng)上實現(xiàn)同步。

　　關(guān)鍵詞：sigma-delta：ADC；分布式；數(shù)據(jù)采集

　　0 引言

　　您是否曾經(jīng)想象過，自己正坐在一輛打破音障的超音速飛機(jī)上？自從協(xié)和式超音速噴氣客機(jī)退役后，這似乎已經(jīng)成了一個不可能實現(xiàn)的夢想，除非您是一名軍機(jī)駕駛員或是宇航員。

　　身為一名電子工程師，筆者對一切事物的運(yùn)作方式非常著迷，比如對布谷鳥鐘，我很好奇它的每個獨(dú)立系統(tǒng)如何與其他系統(tǒng)和諧地保持同步。

　　我們生活的各方面也是這樣。我們生活在一個相互聯(lián)系的世界，一切都是同步的——從銀行服務(wù)器到智能手機(jī)的警報。區(qū)別在于各種特定情況下要解決的問題的大小或復(fù)雜性、不同系統(tǒng)的同步與所需的精度（或者容差），或者要同步的系統(tǒng)的大小。

　　1 分布式系統(tǒng)

　　在獨(dú)立設(shè)計中，使用的本地時鐘或振蕩器本身就會進(jìn)行同步。但是，當(dāng)獨(dú)立設(shè)計需要集成到更廣泛的系統(tǒng)（我們稱之為分布式系統(tǒng)）中時，問題的角度會發(fā)生改變，獨(dú)立系統(tǒng)也應(yīng)該根據(jù)用例進(jìn)行設(shè)計。

　　要計算一個系統(tǒng)中的電器的瞬時功耗，必須同時測量電流和電壓。

　　通過快速分析，您可以用3種不同的方法來解決問題：

　　1）使用兩個同步單通道ADC來測量電流和電壓。

　　2）使用一個多通道同步采樣ADC，它的每個通道都可能有一個ADC，或者每個通道有一個采樣保持電路。

　　3）使用一個多路復(fù)用ADC，并且插入測量值，以補(bǔ)償電壓和電流測量之間的時間平移。

　　至此，您可能已經(jīng)獲得可以解決該問題的可靠解決方案，但是，如果我們擴(kuò)展系統(tǒng)需求，從原來的單件電器輻射到整個應(yīng)用，必須測量整個工廠中的每個交流電源插座的功率呢？現(xiàn)在，您原有的瞬時功耗設(shè)計必須分布應(yīng)用于整個工廠，而且要保證其設(shè)計能夠同時測量和計算每個交流電源插座功耗。

　　您現(xiàn)在面對的是一個分布式系統(tǒng)，它由一組相互獨(dú)立但又緊密相關(guān)的子系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)需要提供在同一時間點(diǎn)采樣的數(shù)據(jù)，以便計算工廠的瞬時總功耗。

　　最后，如果我們繼續(xù)擴(kuò)展假設(shè)的應(yīng)用示例，想象一下，如果要將您的原始設(shè)計集成到國家電網(wǎng)之中。現(xiàn)在，您檢測的是數(shù)百萬瓦功率，任何一個鏈路出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致可怕后果，例如因為壓力導(dǎo)致的線路損壞，反過來，這又可能導(dǎo)致停電，造成可怕后果，例如火災(zāi)，或者醫(yī)院停電。

　　因此，所有系統(tǒng)都必須準(zhǔn)確同步，也就是說，在整個電網(wǎng)中捕獲的數(shù)據(jù)必須是在同一時刻捕獲，無論各數(shù)據(jù)所處的地理情況如何，具體如圖1所示。

　　在這些情況下，您可以將其視為一個關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)，且必須從每個感知節(jié)點(diǎn)獲得連續(xù)的、完全同步的數(shù)據(jù)流。

　　與電網(wǎng)示例類似，這些要求也適用于航空航天或工業(yè)市場中的許多其他關(guān)鍵分布式系統(tǒng)示例。

　　2 奈奎斯特ADC和過采樣ADC

　　在開始解釋如何同步多個ADC的采樣時刻之前，最好先了解每個ADC拓?fù)淙绾螞Q定何時采樣模擬輸入信號，以及每種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　奈奎斯特或SAR ADC：該轉(zhuǎn)換器的最大輸入頻率由奈奎斯特或半采樣頻率決定。

　　過采樣或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的輸入信號采樣時刻通過施加于轉(zhuǎn)換開始引腳的外部脈沖進(jìn)行控制。如圖2所示，將一個通用轉(zhuǎn)換開始信號應(yīng)用到被同步系統(tǒng)中每個SAR ADC上，它們都會在轉(zhuǎn)換起始信號的邊緣同時觸發(fā)采樣。只要確保信號之間沒有明顯的延遲，即轉(zhuǎn)換開始脈沖在同一時刻及時到達(dá)每個SAR ADC，系統(tǒng)同步就很容易實現(xiàn)。注意，到達(dá)轉(zhuǎn)換開始引腳的脈沖與實際采樣時刻之間的傳播延遲不能因設(shè)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。

　　在應(yīng)用轉(zhuǎn)換開始脈沖之后的某個時間（也稱為轉(zhuǎn)換時間），轉(zhuǎn)換結(jié)果將通過所有ADC的數(shù)字接口顯示。

　　另一方面，由于架構(gòu)不同，Σ-Δ ADC操作也略有不同。在這種類型的轉(zhuǎn)換器中，內(nèi)部核心（即調(diào)制器）對輸入信號采樣的頻率（調(diào)制器頻率， f _MOD ）比奈奎斯特規(guī)定的最小頻率高，因此它被稱為過采樣ADC。

　　通過按比嚴(yán)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(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，原因有二：

　　1）每4個平均樣本，噪聲降低1位。

　　2）平均濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)是一個低通濾波器。當(dāng)∑-?架構(gòu)將其量化噪聲推向高頻時，應(yīng)該移除平均濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)，如圖3所示。所以，本次濾波由這個平均濾波器完成。

　　樣本的平均數(shù)量，即抽取率( N )，會決定輸出數(shù)據(jù)速率( ODR )，輸出數(shù)據(jù)速率是ADC提供轉(zhuǎn)換結(jié)果的速率，單位為樣本/秒，如式（1）所示。抽取率通常是整數(shù)，帶有一組可在數(shù)字濾波器上離散編程的預(yù)定義值（即 N = 32、64、128等）。因此，通過保持 f _MOD 常量， ODR 將根據(jù)預(yù)定義值集內(nèi)的 N 值進(jìn)行配置。

　　平均過程通常由一個sinc濾波器在內(nèi)部實現(xiàn)，調(diào)制器的模擬轉(zhuǎn)換開始脈沖也在內(nèi)部生成，因此不會從外部管控轉(zhuǎn)換過程觸發(fā)。這種類型的轉(zhuǎn)換器實際會連續(xù)采樣，跟蹤輸入信號，并處理獲得的數(shù)據(jù)。一旦該過程（采樣和平均）完成，轉(zhuǎn)換器就會生成一個數(shù)據(jù)就緒信號，告知控制器數(shù)據(jù)可以通過數(shù)字接口回讀。

　　如圖4所示，∑-?的工作流程可以概括為4個主要步驟：

　　1）調(diào)制器以f _MOD 頻率對信號采樣。

　　2）通過sinc數(shù)字濾波器對樣本進(jìn)行平均。

　　3）對sinc濾波器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移和增益校正。

　　4）數(shù)據(jù)就緒引腳切換，表示轉(zhuǎn)換結(jié)果已就緒，可由控制器回讀。

　　由于沒有從外部控制何時觸發(fā)內(nèi)部采樣，所以如果要對分布式系統(tǒng)中的多個Σ-Δ ADC進(jìn)行同步，必須同時對所有數(shù)字濾波器實施復(fù)位，這是因為平均轉(zhuǎn)換啟動是由數(shù)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f _MOD 的情況下，對同步產(chǎn)生的影響。

　　與基于SAR ADC的系統(tǒng)一樣，必須確保復(fù)位濾波脈沖同時到達(dá)各個子系統(tǒng)。

　　但是，請注意，數(shù)字濾波器每次復(fù)位時，數(shù)據(jù)流都會被中斷，這是因為濾波器必須重新設(shè)置。在本例中，數(shù)據(jù)中斷的持續(xù)時間由數(shù)字濾波器的順序、 f _MOD和抽取率決定。在圖6顯示的示例中，濾波器的LPF特性將延遲時間，直到生成有效的輸出。

　　3 對分布式系統(tǒng)同步采樣的啟示

　　在分布式系統(tǒng)中，全局同步信號（我們稱之為Global_SYNC）在所有模塊/子系統(tǒng)之間共享。此同步信號可以由主系統(tǒng)或第三方系統(tǒng)（例如GPS 1pps）生成，如圖1所示。

　　接收到Global_SYNC信號后，每個模塊必須重新同步每個轉(zhuǎn)換器的瞬時采樣（很可能是其本地時鐘），以確保同時性。

　　在基于SAR ADC的分布式系統(tǒng)中，重新同步本質(zhì)上很簡單，如前一節(jié)所述：本地時鐘（管理轉(zhuǎn)換開始信號）再次與Global_SYNC信號匹配，之后同步獲得信號。

　　這意味著要生成頻率雜散，因為在同步期間，會在不同時間和距離采集一個樣本，具體如圖7高亮藍(lán)色部分所示。在分布式應(yīng)用中，這些雜散可能是可以接受的，而中斷數(shù)據(jù)流在某些應(yīng)用中則確實至關(guān)重要，例如前面提到的電力線監(jiān)視之類的應(yīng)用。

　　在基于∑-?的分布式系統(tǒng)中，重新與Global_SYNC信號同步的過程會稍微復(fù)雜一些，這是因為調(diào)制器會持續(xù)對模擬輸入信號采樣，而轉(zhuǎn)換過程也不像SAR ADC一樣從外部控制。

　　要對多個基于∑-?的分布式系統(tǒng)實施同步，一個簡單的方法就是重置數(shù)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(diào)制器示例，并且清空數(shù)字濾波器。這意味著：根據(jù)數(shù)字濾波器的順序，它需要一些時間才能再次確定其輸出，如圖5和圖6所示。

　　數(shù)字濾波器完成設(shè)置之后，會再次提供有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，但考慮到設(shè)置所花費(fèi)的時間，在Σ-Δ ADC上重置數(shù)字濾波器可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷是不可接受的。分布式系統(tǒng)需要重新同步的頻率越高，數(shù)據(jù)流中斷的次數(shù)就越多，而因為這種持續(xù)的數(shù)據(jù)流中斷，Σ-Δ ADC將無法應(yīng)用于關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)中。

　　傳統(tǒng)使用的最小化數(shù)據(jù)中斷的方法是使用可調(diào)諧時鐘，例如PLL，它可以降低全局同步頻率和 f _MOD 頻率之間的誤差。

　　接收到Global_SYNC脈沖后，可以采用類似以下的流程，計算Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換開始和Global_SYNC脈沖之間的不確定性。

　　1）控制器計算采樣時刻（通過了解群延遲從數(shù)據(jù)就緒信號向后計算，如圖8所示）和Global_SYNC脈沖之間的時間差。群延遲是一份數(shù)據(jù)手冊規(guī)范，說明從對輸入采樣到數(shù)據(jù)就緒引腳開啟（表示樣本已經(jīng)就緒，可以讀取）之間的時間間隔。

　　2）如果采樣時刻和Global_SYNC之間存在時間差，那么本地控制器會量化這個時間差（t _ahead 或t _delayed ），如圖9所示。

　　3）如果存在差異，可以重新設(shè)置∑-?濾波器，或者修改 f _MOD ，以便在幾個采樣期間調(diào)整∑-?采樣。無論哪種情況，都可能漏掉幾個樣本。注意，通過改變局部時鐘頻率( f _MOD )，Σ-Δ ADC會改變其輸出數(shù)據(jù)速率(ODR = f _MOD /N)，如此，ADC會減慢或加快對模擬輸入采樣的速度，以期和系統(tǒng)中余下的ADC和Global_SYNC同步。

　　4）如果 f _MOD 被更新，那么在同步之后，主時鐘頻率會恢復(fù)到原來的頻率，以返回到之前的ODR，而子系統(tǒng)則從該時刻開始同步。

　　在一段時間內(nèi)改變fMOD的過程如圖10所示。

　　這種方法在某些情況下可能不適用，因為有幾個細(xì)節(jié)需要考慮：

　　1）將調(diào)制器頻率更改為非整數(shù)倍值可能是不實際的。

　　2）如果可以對頻率進(jìn)行微調(diào)，那么改變的頻率步長必須很小，否則數(shù)字濾波器可能會超出限制，導(dǎo)致同步的實施時間變長。

　　3）如果所需的 ODR 改變足夠大，可以通過改變抽取率(N)，而不是改變調(diào)制器頻率(f _MOD )來解決，但是，這也意味著會丟失一些樣本。

　　4）使用PLL意味著在達(dá)到期望的調(diào)制器頻率之前，除了自身的建立時間之外，還會額外消耗功率。

　　一般來說，整個系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本會隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而增加，特別是與SAR ADC相比，對于后者，只需要將轉(zhuǎn)換開始調(diào)整到與Global_SYNC信號匹配，即可輕松解決這個問題。此外，在許多情況下，因為存在上述系統(tǒng)限制，所以Σ-Δ ADC無法使用。

　　4 不中斷數(shù)據(jù)，輕松重新同步Σ-Δ ADC

　　AD7770系列產(chǎn)品（包括AD7770、AD7771和AD7779）具有內(nèi)置SRC。隨著這種新架構(gòu)推出，固定的抽取率(N)導(dǎo)致的限制將不復(fù)存在。

　　SRC允許您采用十進(jìn)制數(shù)（而不僅僅是整數(shù)）作為抽取率( N )，因此，您可以采用所需的任何輸出數(shù)據(jù)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鐘來調(diào)節(jié)f _MOD，之后才能實施同步。

　　使用AD7770系列產(chǎn)品之后，N會變成可靈活編程，以及可隨時編程的值，所以無需更改f _MOD ，也無需中斷數(shù)據(jù)，即可對ODR編程。

　　這種對基于∑-?的子系統(tǒng)重新同步的新方法利用SRC來簡化重新同步過程，最大限度地簡化了前面章節(jié)提到的復(fù)雜性。

　　新方法如下：

　　1）接收到Global_SYNC信號之后，各子系統(tǒng)檢查采樣是否同步，以數(shù)據(jù)就緒信號為參考，利用群延遲查找實際采樣時刻。

　　2）如果采樣時刻和接收到Global_SYNC信號的時間之間存在時間差，那么本地控制器會量化這個時間差（tahead或tdelayed），如圖9所示。

　　3）這時，會對一個新的 ODR 編程，使其通過SRC更改抽取率(N)，從而臨時生成更快或更慢的ODR 。整個重新同步操作一般會用到4個樣本（如果在AD7771上啟用了sinc5濾波器，則需要6個），但是因為這些樣本仍然有效且完全設(shè)置，所以不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)流中斷。

　　4）一旦接收到所需數(shù)量的DRDY，就會重新設(shè)置抽取因數(shù)，以返回所需的ODR，如此可以保證Σ-? ADC與其余子系統(tǒng)保持同步，如圖11所示，其不造成數(shù)據(jù)中斷。

　　5 結(jié)論

　　關(guān)鍵分布式系統(tǒng)需要所有子系統(tǒng)同步進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且具備持續(xù)的數(shù)據(jù)流。

　　SAR轉(zhuǎn)換器提供一種直觀的重新同步采樣方法：通過重新調(diào)整轉(zhuǎn)換開始信號，使其與Global_SYNC脈沖匹配。

　　在需要高動態(tài)范圍(DR)或信噪比(SNR)的應(yīng)用中，SAR不可使用，但是傳統(tǒng)Σ-?轉(zhuǎn)換器也變得難以使用，因為這些轉(zhuǎn)換器不具備靈活性，無法在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下重新調(diào)節(jié)。

　　如示例所示，SRC提供了一個無縫同步例程，與其他解決方案相比，它的延遲更小、成本和復(fù)雜性更低。

　　SRC可以在許多應(yīng)用中一展所長。與電力線監(jiān)控示例一樣，任何線路頻率變化都可以通過立即動態(tài)改變抽取率來補(bǔ)償。如此，保證電力線的采樣頻率始終一致。按照本文所示，在關(guān)鍵分布式系統(tǒng)中，SRC也可用于高效重新同步系統(tǒng)，不會造成數(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)行同步的傳統(tǒng)問題，不會丟失樣本，也不會像基于PLL的方法一樣，額外增加成本和復(fù)雜性。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第24頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。