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

Lluis Beltran Gil

摘要：介紹了基于sAR ADc的系統(tǒng)和基于sigma-delta（∑-△）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∑-△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∑-△ADc的系統(tǒng)上實現(xiàn)同步。

關(guān)鍵詞：sigma-ddta：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上？自從協(xié)和式超音速噴氣客機退役后，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作方式非常著迷，比如對布谷鳥鐘，我很好奇它的每個獨立系統(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

從銀行服務器到智能手機的警報。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)

在獨立設計中，使用的本地時鐘或振蕩器本身就會進行同步。但是，當獨立設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，獨立系統(tǒng)也應該根據(jù)用例進行設計。

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）使用一個多路復用ADC，并且插入測量值，以補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，如果我們擴展系統(tǒng)需求，從原來的單件電器輻射到整個應用，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計必須分布應用于整個工廠，而且要保證其設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。現(xiàn)在，您檢測的是數(shù)百萬瓦功率，任何一個鏈路出現(xiàn)問題都會導致可怕后果，例如因為壓力導致的線路損壞，反過來，這又可能導致停電，造成可怕后果，例如火災，或者醫(yī)院停電。

因此，所有系統(tǒng)都必須準確同步，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拓撲如何決定何時采樣模擬輸入信號，以及每種架構(gòu)的優(yōu)缺點。

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∑-△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行控制。如圖2所示，將一個通用轉(zhuǎn)換開始信號應用到被同步系統(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每個SAR ADC，系統(tǒng)同步就很容易實現(xiàn)。注意，到達轉(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，∑-△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，fMOD）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∑-△架構(gòu)將其量化噪聲推向高頻時，應該移除平均濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)，如N3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定義值（即N=32、64、128等）。因此，通過保持fMOD常量，ODR將根據(jù)預定義值集內(nèi)的Ⅳ值進行配置。

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fMOD頻率對信號采樣。

2）通過sinc數(shù)字濾波器對樣本進行平均。

3）對sinc濾波器提供的數(shù)據(jù)進行偏移和增益校正。

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∑-△ADC進行同步，必須同時對所有數(shù)字濾波器實施復位，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∑-△ADC都采用相同的ODR和fMOD的情況下，對同步產(chǎn)生的影響。

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

但是，請注意，數(shù)字濾波器每次復位時，數(shù)據(jù)流都會被中斷，這是因為濾波器必須重新設置。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、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GIobaI_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GPS1pps）生成，如圖1所示。

接收到GlobaI_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GIobaI_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(shù)據(jù)流在某些應用中則確實至關(guān)重要，例如前面提到的電力線監(jiān)視之類的應用。

在基于∑-△的分布式系統(tǒng)中，重新與GIobaI_SYNC信號同步的過程會稍微復雜一些，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)字濾波器完成設置之后，會再次提供有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，但考慮到設置所花費的時間，在∑-△ADC上重置數(shù)字濾波器可能導致的數(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，∑-△ADC將無法應用于關(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fMOD頻率之間的誤差。

接收到GlobaI_SYNC脈沖后，可以采用類似以下的流程，計算∑-△ADC轉(zhuǎn)換開始和GlobaI_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GlobaI_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?。┲g的時間間隔。

2）如果采樣時刻和GIobaI_SYNC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）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（fMOD），∑-△ADC會改變其輸出數(shù)據(jù)速率（ODR=fMOD/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GlobaI_SYNC同步。

4）如果fMOD被更新，那么在同步之后，主時鐘頻率會恢復到原來的頻率，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（fMoa）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GIobaI_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∑-△ADC無法使用。

4不中斷數(shù)據(jù)，輕松重新同步∑-△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）導致的限制將不復存在。

SRC允許您采用十進制數(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)fMoD，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fMOD，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)提到的復雜性。

新方法如下：

1）接收到GlobaI_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GIobaI_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置，所以不會導致數(shù)據(jù)流中斷。

4）一旦接收到所需數(shù)量的DRDY，就會重新設置抽取因數(shù)，以返回所需的ODR，如此可以保證∑-△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GlobaI_SYNC脈沖匹配。

在需要高動態(tài)范圍（DR）或信噪比（SNR）的應用中，SAR不可使用，但是傳統(tǒng)∑-△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、成本和復雜性更低。

SRC可以在許多應用中一展所長。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∑-△ADC的分布式系統(tǒng)進行同步的傳統(tǒng)問題.不會丟失樣本，也不會像基于PLL的方法一樣，額外增加成本和復雜性。