本文介紹了基于SAR ADC的系統(tǒng)和基于Σ-Δ（Σ-Δ）ADC的系統(tǒng)傳統(tǒng)上同步分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式，并探討了兩種架構(gòu)之間的差異。此外，我們還將討論嘗試同步多Σ-Δ型ADC時(shí)的典型不便之處。最后，提出了一種基于AD7770采樣速率轉(zhuǎn)換器（SRC）的新方法，展示了如何在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下在基于Σ-Δ ADC的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)同步。

介紹

你有沒(méi)有想象過(guò)自己在超音速飛機(jī)上打破音障？自從協(xié)和式飛機(jī)退役以來(lái)，這似乎是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，除非你是軍事飛行員或宇航員。

作為一名電子工程師，我著迷于一切是如何工作的，例如，在布谷鳥(niǎo)鐘中，以及每個(gè)系統(tǒng)如何與其他系統(tǒng)完美同步和諧地工作。

這適用于我們生活的方方面面。當(dāng)我們生活在一個(gè)互聯(lián)的世界中時(shí)，一切都是同步的——從銀行服務(wù)器到智能手機(jī)的警報(bào)。唯一的區(qū)別是每種特定情況下要解決的問(wèn)題的量級(jí)或復(fù)雜性，不同系統(tǒng)的同步與所需的精度（或可容忍的誤差）或要同步的系統(tǒng)的大小。

分布式系統(tǒng)

在獨(dú)立設(shè)計(jì)中，同步是所使用的本地時(shí)鐘或振蕩器所固有的。但是，當(dāng)獨(dú)立設(shè)計(jì)應(yīng)該集成到更廣泛的系統(tǒng)（我們稱之為分布式系統(tǒng)）時(shí)，問(wèn)題的角度會(huì)發(fā)生變化，獨(dú)立設(shè)計(jì)應(yīng)該針對(duì)用例進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)中，要計(jì)算電器的瞬時(shí)功耗，必須同時(shí)測(cè)量電流和電壓。

通過(guò)執(zhí)行快速分析，您可以通過(guò)三種不同的方式解決問(wèn)題：

使用兩個(gè)同步單通道ADC測(cè)量電流和電壓。

使用多通道同步采樣ADC，每個(gè)通道有一個(gè)ADC或一個(gè)采樣保持電路。

使用一個(gè)多路復(fù)用ADC并插值測(cè)量結(jié)果，以補(bǔ)償電壓和電流測(cè)量之間的時(shí)移。

在這一點(diǎn)上，您可能有一個(gè)可靠的解決方案來(lái)解決問(wèn)題，但讓我們將系統(tǒng)要求從最初的單個(gè)電器擴(kuò)展到必須測(cè)量工廠中每個(gè)交流電源插座的功率的應(yīng)用。現(xiàn)在，您最初的瞬時(shí)功耗設(shè)計(jì)應(yīng)該分布在工廠周圍，并以某種方式設(shè)計(jì)成同時(shí)測(cè)量和計(jì)算每個(gè)交流電源插座中的功率。

您現(xiàn)在正在處理一個(gè)分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一組彼此分開(kāi)但密切相關(guān)的子系統(tǒng)組成。每個(gè)子系統(tǒng)都需要提供在完全相同的時(shí)間點(diǎn)采樣的數(shù)據(jù)，以便可以計(jì)算工廠的總瞬時(shí)功耗。

最后，如果我們繼續(xù)擴(kuò)展假設(shè)的應(yīng)用示例，想象一下您的原始設(shè)計(jì)將被集成到您所在國(guó)家的電網(wǎng)中?，F(xiàn)在，您正在感應(yīng)數(shù)百萬(wàn)瓦的功率，鏈路中的任何故障都可能產(chǎn)生可怕的結(jié)果，例如由于壓力條件而導(dǎo)致的電源線損壞，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致停電，并帶來(lái)嚴(yán)重的后果，例如野火或醫(yī)院在沒(méi)有能源供應(yīng)的情況下運(yùn)行。

因此，一切都需要精確同步，也就是說(shuō)，電網(wǎng)中捕獲的數(shù)據(jù)應(yīng)在完全相同的時(shí)間點(diǎn)捕獲，而與地理位置無(wú)關(guān)，如圖1所示。

圖1.電網(wǎng)同步。

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

與電網(wǎng)示例類似，這些要求適用于航空航天或工業(yè)市場(chǎng)中可能發(fā)現(xiàn)的許多其他關(guān)鍵分布式系統(tǒng)示例。

奈奎斯特和過(guò)采樣ADC

在解釋如何同步許多ADC的采樣時(shí)刻之前，最好先了解每種ADC拓?fù)淙绾未_定何時(shí)對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，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型ADC：最大輸入頻率通常是最大采樣頻率的一小部分，通常約為0.3×。

一方面，SAR ADC的輸入信號(hào)采樣時(shí)刻通過(guò)施加到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)引腳的外部脈沖進(jìn)行控制。如果將公共轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)施加到正在同步的系統(tǒng)中的每個(gè)SAR ADC（如圖2所示），它們都將在轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)的邊沿同時(shí)觸發(fā)采樣。只需確保信號(hào)之間沒(méi)有明顯的延遲（即轉(zhuǎn)換起始脈沖在同一時(shí)刻到達(dá)每個(gè)SAR ADC），即可輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步。請(qǐng)注意，到達(dá)轉(zhuǎn)換起始引腳的脈沖與實(shí)際采樣時(shí)刻之間的傳播延遲不應(yīng)因器件而異，在采樣速度相對(duì)較低的精密ADC中，傳播延遲并不顯著。

在施加轉(zhuǎn)換開(kāi)始脈沖（稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間）后的某個(gè)時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)果將通過(guò)所有ADC的數(shù)字接口提供。

圖2.同步基于 SAR ADC 的分布式系統(tǒng)。

另一方面，Σ-Δ ADC的操作由于其架構(gòu)而略有不同。在這種類型的轉(zhuǎn)換器中，內(nèi)部?jī)?nèi)核（調(diào)制器）以更高的頻率（調(diào)制器頻率，f國(guó)防部）比奈奎斯特規(guī)定的最小頻率，這就是它被稱為過(guò)采樣ADC的原因。

通過(guò)以比嚴(yán)格需要的頻率高得多的頻率采樣，可以收集更多數(shù)量的樣本。然后通過(guò)平均濾波器對(duì)所有ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，原因有兩個(gè)：

每 1 個(gè)平均樣本，噪聲降低 4 位。

平均濾波器傳遞函數(shù)是低通濾波器。當(dāng)Σ-Δ架構(gòu)將其量化噪聲推向高頻時(shí)，應(yīng)將其消除，如圖3所示。因此，此過(guò)濾是通過(guò)此平均濾波器完成的。

圖3.Σ-Δ噪聲整形。

平均采樣數(shù)（稱為抽取比（N））決定了輸出數(shù)據(jù)速率（ODR），即ADC提供轉(zhuǎn)換結(jié)果的速率（以每秒采樣數(shù)為單位），如公式1所示。抽取比通常是一個(gè)整數(shù)，在數(shù)字濾波器上具有一組離散可編程的預(yù)定義值（即N = 32、64、128等）。因此，通過(guò)保持f國(guó)防部常數(shù)，則 ODR 將根據(jù)預(yù)定義值集中的 N 值進(jìn)行配置。

平均過(guò)程通常由sinc濾波器在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，調(diào)制器的類似轉(zhuǎn)換起始脈沖也在內(nèi)部產(chǎn)生，因此在觸發(fā)轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)沒(méi)有外部控制。這種類型的轉(zhuǎn)換器確實(shí)是連續(xù)采樣，跟蹤輸入信號(hào)并處理獲取的數(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)，向控制器指示數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)字接口讀回。

如圖 4 所示，Σ-Δ 的流程可以概括為四個(gè)主要步驟：

調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，頻率為f國(guó)防部頻率。

樣本通過(guò)sinc數(shù)字濾波器取平均值。

sinc濾波器的結(jié)果被失調(diào)和增益校正。

數(shù)據(jù)就緒引腳切換，指示轉(zhuǎn)換結(jié)果已準(zhǔn)備好由控制器回讀。

圖4.Σ-Δ ADC 流。

由于內(nèi)部采樣觸發(fā)時(shí)沒(méi)有外部控制，為了同步分布式系統(tǒng)中的多個(gè)Σ-Δ型ADC，必須同時(shí)復(fù)位所有數(shù)字濾波器，因?yàn)榭刂破骄D(zhuǎn)換開(kāi)始的是數(shù)字濾波器。

圖 5 顯示了假設(shè) ODR 相同時(shí)對(duì)同步的影響，并且國(guó)防部在所有Σ-Δ型ADC中。

圖5.Σ-Δ 系統(tǒng)重置同步。

與基于SAR ADC的系統(tǒng)類似，必須確保復(fù)位濾波器脈沖同時(shí)到達(dá)所有子系統(tǒng)。

但是，請(qǐng)注意，每次重置數(shù)字濾波器時(shí)，數(shù)據(jù)流都會(huì)中斷，因?yàn)闉V波器必須再次穩(wěn)定。在這種情況下，數(shù)據(jù)中斷的持續(xù)時(shí)間取決于數(shù)字濾波器階數(shù)，即 f國(guó)防部和抽取率。圖 6 顯示了一個(gè)示例，其中濾波器的 LPF 特性延遲了生成有效輸出的時(shí)間。

圖6.由于數(shù)字濾波器建立時(shí)間而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷。

對(duì)分布式系統(tǒng)中同步采樣的影響

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。該同步信號(hào)可以由主站或第三方系統(tǒng)（如GPS 1 pps）生成，如圖1所示。

一旦收到Global_SYNC信號(hào)，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，以保證同時(shí)性。

在基于 SAR ADC 的分布式系統(tǒng)中，如上一節(jié)所述，重新同步本質(zhì)上很容易：本地時(shí)鐘（管理轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)）與Global_SYNC信號(hào)重新對(duì)齊，從此使這些信號(hào)同步。

這在產(chǎn)生頻率雜散方面具有意義，因?yàn)樵谕竭^(guò)程中，有一個(gè)樣本是在不同的時(shí)間和距離收集的，如圖7中的藍(lán)色突出顯示。在分布式應(yīng)用中，這些雜散可能是可以接受的，而在前面提到的電力線監(jiān)控等應(yīng)用中，中斷數(shù)據(jù)流確實(shí)至關(guān)重要。

圖7.將SAR ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程與全局同步信號(hào)對(duì)齊。

在基于Σ-Δ的分布式系統(tǒng)中，與Global_SYNC信號(hào)有關(guān)的再同步稍微復(fù)雜一些，因?yàn)檎{(diào)制器對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，并且轉(zhuǎn)換過(guò)程不像SAR ADC那樣由外部控制。

同步多個(gè)基于Σ-Δ的分布式系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單方法是重置數(shù)字濾波器：所有收集和存儲(chǔ)的調(diào)制器樣本用于平均濾波器，數(shù)字濾波器被清空。這意味著，根據(jù)數(shù)字濾波器階數(shù)，需要一些時(shí)間才能再次建立其輸出，如圖5和圖6所示。

一旦數(shù)字濾波器建立，它將再次提供有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，但考慮到建立所需的時(shí)間，在Σ-Δ ADC上重置數(shù)字濾波器可能不被接受。分布式系統(tǒng)需要重新同步的頻率越高，數(shù)據(jù)流中斷就越多，由于持續(xù)的數(shù)據(jù)流中斷，這使得Σ-Δ型ADC對(duì)于關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)不切實(shí)際。

傳統(tǒng)上，最小化數(shù)據(jù)中斷的方法是使用可調(diào)時(shí)鐘，例如PLL，它可以減少全局同步和f之間的誤差。國(guó)防部頻率。

接收到Global_SYNC脈沖后，Σ-Δ型ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)與Global_SYNC脈沖之間的不確定性可以按照類似于以下過(guò)程計(jì)算：

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。群延遲是數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格，它考慮了從輸入采樣到數(shù)據(jù)就緒引腳切換之間的時(shí)間，表明樣品已準(zhǔn)備好讀取。

圖8.模擬輸入采樣和數(shù)據(jù)就緒切換之間的時(shí)間延遲。

如果采樣時(shí)刻和Global_SYNC之間存在差異，則本地控制器量化時(shí)間差（t提前或 t延遲），如圖 9 所示。

圖9.量化每個(gè)ADC的采樣時(shí)刻（假設(shè)群延遲已知）與全局同步信號(hào)之間的差異。

如果存在差異，可以重置Σ-Δ濾波器或f國(guó)防部可以修改以調(diào)整幾個(gè)樣本中的Σ-Δ采樣。在這兩種情況下，都會(huì)遺漏一些樣本。請(qǐng)注意，通過(guò)更改本地時(shí)鐘頻率 （f國(guó)防部），Σ-Δ ADC 正在修改其輸出數(shù)據(jù)速率 （ODR = f國(guó)防部/N），以便ADC對(duì)其模擬輸入進(jìn)行較慢或較快的采樣，目的是使該ADC趕上系統(tǒng)上的其余ADC和Global_SYNC。

如果 f國(guó)防部更新后，一旦同步，主時(shí)鐘頻率將恢復(fù)到原始頻率以返回到以前的ODR，而子系統(tǒng)從此變?yōu)橥健?/p>

這個(gè)改變f的過(guò)程國(guó)防部在一定時(shí)間內(nèi)如圖10所示。

圖 10.使用PLL調(diào)諧調(diào)制器頻率的同步方法。

在某些情況下，此方法可能不適用，因?yàn)樾枰紤]一些細(xì)節(jié)：

將調(diào)制器頻率更改為非倍數(shù)值可能不切實(shí)際。

如果可以微調(diào)頻率，則變化時(shí)的頻率步進(jìn)必須很小，否則數(shù)字濾波器可能會(huì)超出范圍，因此同步例程的提前期會(huì)變長(zhǎng)。

如果所需的ODR變化足夠大，可以通過(guò)改變抽取率（N）而不是調(diào)制器頻率（f國(guó)防部），但這也意味著缺少樣本。

使用PLL意味著消耗額外的功率加上其自身的建立時(shí)間，直到達(dá)到所需的調(diào)制器頻率。

一般而言，整體系統(tǒng)復(fù)雜性和成本會(huì)增加，隨著系統(tǒng)尺寸的增加而增加，特別是與SAR ADC相比，只需將轉(zhuǎn)換開(kāi)始與Global_SYNC信號(hào)對(duì)齊即可更輕松地解決此問(wèn)題。此外，在許多情況下，根據(jù)上述系統(tǒng)限制和限制，一定無(wú)法使用Σ-Δ ADC。

輕松重新同步Σ-Δ型ADC，無(wú)數(shù)據(jù)中斷

AD7770系列（包括AD7770、AD7771和AD7779）內(nèi)置SRC。隨著這種新架構(gòu)的引入，抽取因子（N）作為固定值的限制不再有效。

SRC 允許您將十進(jìn)制數(shù)（而不僅僅是整數(shù)）編程為抽取率 （N），從而允許您對(duì)任何所需的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行編程。在以前的同步方法上，由于N是固定的，因此需要改變外部時(shí)鐘以調(diào)整f國(guó)防部為了執(zhí)行同步例程。

使用AD7770系列產(chǎn)品時(shí)，由于N可靈活編程和動(dòng)態(tài)重新編程，因此無(wú)需更改任何ODR，即可對(duì)任何ODR進(jìn)行編程。國(guó)防部并且不會(huì)中斷數(shù)據(jù)。

這種用于重新同步基于sigma-Δ的子系統(tǒng)的新方法利用SRC簡(jiǎn)化了重新同步，最大限度地減少了前面部分中描述的復(fù)雜性。

新方法如下：

當(dāng)接收到Global_SYNC信號(hào)時(shí)，每個(gè)子系統(tǒng)檢查其是否同步采樣，以數(shù)據(jù)就緒信號(hào)為參考，并使用群延遲來(lái)查找實(shí)際采樣時(shí)刻。

如果采樣時(shí)刻與接收到Global_SYNC信號(hào)時(shí)存在差異，則本地控制器量化時(shí)差（t 提前或 t延遲） 如圖 9 所示。

新的 ODR 被編程為通過(guò) SRC 修改抽取因子 （N） 來(lái)臨時(shí)生成更快或更慢的 ODR。重新同步的整個(gè)操作將始終需要4個(gè)樣本（如果AD6上啟用了sinc5濾波器，則為7771個(gè)樣本），但由于這些樣本仍然有效且100%建立，因此不會(huì)中斷數(shù)據(jù)流。

一旦收到所需的DRDY量，抽取因子將再次重新編程以返回到所需的ODR，從而保證Σ-Δ轉(zhuǎn)換器與其他子系統(tǒng)同步，如圖11所示，而不會(huì)中斷數(shù)據(jù)流。

圖 11.采樣率轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)調(diào)整ODR，以便在所有設(shè)備上重新同步采樣。

結(jié)論

關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)需要所有子系統(tǒng)中的同步轉(zhuǎn)換和連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

SAR轉(zhuǎn)換器提供了一種直觀的方法，通過(guò)重新調(diào)整轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)并將其與Global_SYNC脈沖對(duì)齊來(lái)重新同步采樣。

在需要高動(dòng)態(tài)范圍（DR）或信噪比（SNR）規(guī)格的應(yīng)用中，SAR不是一種選擇，但傳統(tǒng)的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器由于無(wú)法靈活地在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下重新調(diào)整而變得具有挑戰(zhàn)性。

如示例中所示，與其他解決方案相比，SRC 提供了具有最小延遲且成本和復(fù)雜性低得多的無(wú)縫同步例程。

在很多應(yīng)用中，SRC也可以是有利的。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)即時(shí)更改抽取率來(lái)補(bǔ)償。這樣，電力線始終以相干采樣頻率進(jìn)行采樣。在這里，在關(guān)鍵的分布式系統(tǒng)中，事實(shí)證明SRC對(duì)于重新同步系統(tǒng)也非常有用，而不必中斷數(shù)據(jù)流，也不需要PLL等額外組件。AD7770解決了同步基于Σ-Δ ADC的分布式系統(tǒng)的傳統(tǒng)問(wèn)題，不會(huì)丟失采樣，避免了基于PLL的方法增加的成本和復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷