同步關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)時(shí)，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(duì)，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(gè)Σ-Δ ADC時(shí)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(shí)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(guò)，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(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)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(duì)一切事物的運(yùn)作方式非常著迷，比如對(duì)布谷鳥(niǎo)鐘，我很好奇它的每個(gè)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(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(jī)的警報(bào)。區(qū)別在于各種特定情況下要解決的問(wèn)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(jì)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(dāng)獨(dú)立設(shè)計(jì)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(shí)，問(wèn)題的角度會(huì)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(jì)。

　　要計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)中的電器的瞬時(shí)功耗，必須同時(shí)測(cè)量電流和電壓。

　　通過(guò)快速分析，您可以用3種不同的方法來(lái)解決問(wèn)題：

　　1）使用兩個(gè)同步單通道ADC來(lái)測(cè)量電流和電壓。

　　2）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。

　　3）使用一個(gè)多路復(fù)用ADC，并且插入測(cè)量值，以補(bǔ)償電壓和電流測(cè)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(kuò)展系統(tǒng)需求，從原來(lái)的單件電器輻射到整個(gè)應(yīng)用，必須測(cè)量整個(gè)工廠中的每個(gè)交流電源插座的功率呢？現(xiàn)在，您原有的瞬時(shí)功耗設(shè)計(jì)必須分布應(yīng)用于整個(gè)工廠，而且要保證其設(shè)計(jì)能夠同時(shí)測(cè)量和計(jì)算每個(gè)交流電源插座功耗。

　　您現(xiàn)在面對(duì)的是一個(gè)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(gè)子系統(tǒng)需要提供在同一時(shí)間點(diǎn)采樣的數(shù)據(jù)，以便計(jì)算工廠的瞬時(shí)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(jì)集成到國(guó)家電網(wǎng)之中。現(xiàn)在，您檢測(cè)的是數(shù)百萬(wàn)瓦功率，任何一個(gè)鏈路出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致可怕后果，例如因?yàn)閴毫?dǎo)致的線路損壞，反過(guò)來(lái)，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(shuō)，在整個(gè)電網(wǎng)中捕獲的數(shù)據(jù)必須是在同一時(shí)刻捕獲，無(wú)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(gè)關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)，且必須從每個(gè)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(chǎng)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(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?fù)淙绾螞Q定何時(shí)采樣模擬輸入信號(hào)，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(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(hào)采樣時(shí)刻通過(guò)施加于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)應(yīng)用到被同步系統(tǒng)中每個(gè)SAR ADC上，它們都會(huì)在轉(zhuǎn)換起始信號(hào)的邊緣同時(shí)觸發(fā)采樣。只要確保信號(hào)之間沒(méi)有明顯的延遲，即轉(zhuǎn)換開(kāi)始脈沖在同一時(shí)刻及時(shí)到達(dá)每個(gè)SAR ADC，系統(tǒng)同步就很容易實(shí)現(xiàn)。注意，到達(dá)轉(zhuǎn)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(shè)備而不同，在采樣速度相對(duì)較慢的精密ADC中，這種延遲不顯著。

　　在應(yīng)用轉(zhuǎn)換開(kāi)始脈沖之后的某個(gè)時(shí)間（也稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間），轉(zhuǎn)換結(jié)果將通過(guò)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(duì)輸入信號(hào)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(guò)采樣ADC。

　　通過(guò)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(duì)所有ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，原因有二：

　　1）每4個(gè)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(gè)低通濾波器。當(dāng)∑-?架構(gòu)將其量化噪聲推向高頻時(shí)，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(gè)平均濾波器完成。

　　樣本的平均數(shù)量，即抽取率( N )，會(huì)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(guò)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(guò)程通常由一個(gè)sinc濾波器在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，調(diào)制器的模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)始脈沖也在內(nèi)部生成，因此不會(huì)從外部管控轉(zhuǎn)換過(guò)程觸發(fā)。這種類型的轉(zhuǎn)換器實(shí)際會(huì)連續(xù)采樣，跟蹤輸入信號(hào)，并處理獲得的數(shù)據(jù)。一旦該過(guò)程（采樣和平均）完成，轉(zhuǎn)換器就會(huì)生成一個(gè)數(shù)據(jù)就緒信號(hào)，告知控制器數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)字接口回讀。

　　如圖4所示，∑-?的工作流程可以概括為4個(gè)主要步驟：

　　1）調(diào)制器以f _MOD 頻率對(duì)信號(hào)采樣。

　　2）通過(guò)sinc數(shù)字濾波器對(duì)樣本進(jìn)行平均。

　　3）對(duì)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(méi)有從外部控制何時(shí)觸發(fā)內(nèi)部采樣，所以如果要對(duì)分布式系統(tǒng)中的多個(gè)Σ-Δ ADC進(jìn)行同步，必須同時(shí)對(duì)所有數(shù)字濾波器實(shí)施復(fù)位，這是因?yàn)槠骄D(zhuǎn)換啟動(dòng)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(duì)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(shí)到達(dá)各個(gè)子系統(tǒng)。

　　但是，請(qǐng)注意，數(shù)字濾波器每次復(fù)位時(shí)，數(shù)據(jù)流都會(huì)被中斷，這是因?yàn)闉V波器必須重新設(shè)置。在本例中，數(shù)據(jù)中斷的持續(xù)時(shí)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(shí)間，直到生成有效的輸出。

　　3 對(duì)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(hào)（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(hào)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(hào)后，每個(gè)模塊必須重新同步每個(gè)轉(zhuǎn)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(tǒng)中，重新同步本質(zhì)上很簡(jiǎn)單，如前一節(jié)所述：本地時(shí)鐘（管理轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)）再次與Global_SYNC信號(hào)匹配，之后同步獲得信號(hào)。

　　這意味著要生成頻率雜散，因?yàn)樵谕狡陂g，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(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(shí)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(hào)同步的過(guò)程會(huì)稍微復(fù)雜一些，這是因?yàn)檎{(diào)制器會(huì)持續(xù)對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣，而轉(zhuǎn)換過(guò)程也不像SAR ADC一樣從外部控制。

　　要對(duì)多個(gè)基于∑-?的分布式系統(tǒng)實(shí)施同步，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是重置數(shù)字濾波器：丟棄收集和存儲(chǔ)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(shí)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(huì)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(shí)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?yàn)檫@種持續(xù)的數(shù)據(jù)流中斷，Σ-Δ ADC將無(wú)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(shí)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(jì)算Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始和Global_SYNC脈沖之間的不確定性。

　　1）控制器計(jì)算采樣時(shí)刻（通過(guò)了解群延遲從數(shù)據(jù)就緒信號(hào)向后計(jì)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(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范，說(shuō)明從對(duì)輸入采樣到數(shù)據(jù)就緒引腳開(kāi)啟（表示樣本已經(jīng)就緒，可以讀取）之間的時(shí)間間隔。

　　2）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（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(gè)采樣期間調(diào)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( f _MOD )，Σ-Δ ADC會(huì)改變其輸出數(shù)據(jù)速率(ODR = f _MOD /N)，如此，ADC會(huì)減慢或加快對(duì)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(shí)鐘頻率會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的頻率，以返回到之前的ODR，而子系統(tǒng)則從該時(shí)刻開(kāi)始同步。

　　在一段時(shí)間內(nèi)改變fMOD的過(guò)程如圖10所示。

　　這種方法在某些情況下可能不適用，因?yàn)橛袔讉€(gè)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(shí)際的。

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

　　3）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(diào)制器頻率(f _MOD )來(lái)解決，但是，這也意味著會(huì)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(shí)間之外，還會(huì)額外消耗功率。

　　一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本會(huì)隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而增加，特別是與SAR ADC相比，對(duì)于后者，只需要將轉(zhuǎn)換開(kāi)始調(diào)整到與Global_SYNC信號(hào)匹配，即可輕松解決這個(gè)問(wèn)題。此外，在許多情況下，因?yàn)榇嬖谏鲜鱿到y(tǒng)限制，所以Σ-Δ ADC無(wú)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(shí)鐘來(lái)調(diào)節(jié)f _MOD，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f _MOD ，也無(wú)需中斷數(shù)據(jù)，即可對(duì)ODR編程。

　　這種對(duì)基于∑-?的子系統(tǒng)重新同步的新方法利用SRC來(lái)簡(jiǎn)化重新同步過(guò)程，最大限度地簡(jiǎn)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(hào)之后，各子系統(tǒng)檢查采樣是否同步，以數(shù)據(jù)就緒信號(hào)為參考，利用群延遲查找實(shí)際采樣時(shí)刻。

　　2）如果采樣時(shí)刻和接收到Global_SYNC信號(hào)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。

　　3）這時(shí)，會(huì)對(duì)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AD7771上啟用了sinc5濾波器，則需要6個(gè)），但是因?yàn)檫@些樣本仍然有效且完全設(shè)置，所以不會(huì)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(huì)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(guò)重新調(diào)整轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，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(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?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器不具備靈活性，無(wú)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(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(fù)雜性更低。

　　SRC可以在許多應(yīng)用中一展所長(zhǎng)。與電力線監(jiān)控示例一樣，任何線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(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(huì)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(duì)基于Σ-Δ ADC的分布式系統(tǒng)進(jìn)行同步的傳統(tǒng)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(fù)雜性。

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