Σ-ΔADC架构可在同步关键分布式系统时避免数据流中断

本文介绍了基于SAR ADC的系统和基于Σ-Δ（Σ-Δ）ADC的系统传统上同步分布式数据采集系统的方式，并探讨了两种架构之间的差异。此外，我们还将讨论尝试同步多Σ-Δ型ADC时的典型不便之处。最后，提出了一种基于AD7770采样速率转换器（SRC）的新方法，展示了如何在不中断数据流的情况下在基于Σ-Δ ADC的系统上实现同步。

介绍

你有没有想象过自己在超音速飞机上打破音障？自从协和式飞机退役以来，这似乎是一个不可能实现的梦想，除非你是军事飞行员或宇航员。

作为一名电子工程师，我着迷于一切是如何工作的，例如，在布谷鸟钟中，以及每个系统如何与其他系统完美同步和谐地工作。

这适用于我们生活的方方面面。当我们生活在一个互联的世界中时，一切都是同步的——从银行服务器到智能手机的警报。唯一的区别是每种特定情况下要解决的问题的量级或复杂性，不同系统的同步与所需的精度（或可容忍的误差）或要同步的系统的大小。

分布式系统

在独立设计中，同步是所使用的本地时钟或振荡器所固有的。但是，当独立设计应该集成到更广泛的系统（我们称之为分布式系统）时，问题的角度会发生变化，独立设计应该针对用例进行相应的设计。

在系统中，要计算电器的瞬时功耗，必须同时测量电流和电压。

通过执行快速分析，您可以通过三种不同的方式解决问题：

使用两个同步单通道ADC测量电流和电压。

使用多通道同步采样ADC，每个通道有一个ADC或一个采样保持电路。

使用一个多路复用ADC并插值测量结果，以补偿电压和电流测量之间的时移。

在这一点上，您可能有一个可靠的解决方案来解决问题，但让我们将系统要求从最初的单个电器扩展到必须测量工厂中每个交流电源插座的功率的应用。现在，您最初的瞬时功耗设计应该分布在工厂周围，并以某种方式设计成同时测量和计算每个交流电源插座中的功率。

您现在正在处理一个分布式系统，该系统由一组彼此分开但密切相关的子系统组成。每个子系统都需要提供在完全相同的时间点采样的数据，以便可以计算工厂的总瞬时功耗。

最后，如果我们继续扩展假设的应用示例，想象一下您的原始设计将被集成到您所在国家的电网中。现在，您正在感应数百万瓦的功率，链路中的任何故障都可能产生可怕的结果，例如由于压力条件而导致的电源线损坏，这反过来可能导致停电，并带来严重的后果，例如野火或医院在没有能源供应的情况下运行。

因此，一切都需要精确同步，也就是说，电网中捕获的数据应在完全相同的时间点捕获，而与地理位置无关。

在这些情况下，您可以将其视为关键的分布式系统，并且必须从每个感知节点获取连续的、完全同步的数据流。

与电网示例类似，这些要求适用于航空航天或工业市场中可能发现的许多其他关键分布式系统示例。

奈奎斯特和过采样ADC

在解释如何同步许多ADC的采样时刻之前，最好先了解每种ADC拓扑如何确定何时对模拟输入信号进行采样，以及每种架构的优缺点。

奈奎斯特或SAR ADC：该转换器的最大输入频率由奈奎斯特或半采样频率决定。

过采样或Σ-Δ型ADC：最大输入频率通常是最大采样频率的一小部分，通常约为0.3×。

一方面，SAR ADC的输入信号采样时刻通过施加到转换启动引脚的外部脉冲进行控制。如果将公共转换开始信号施加到正在同步的系统中的每个SAR ADC（如图2所示），它们都将在转换开始信号的边沿同时触发采样。只需确保信号之间没有明显的延迟（即转换起始脉冲在同一时刻到达每个SAR ADC），即可轻松实现系统同步。请注意，到达转换起始引脚的脉冲与实际采样时刻之间的传播延迟不应因器件而异，在采样速度相对较低的精密ADC中，传播延迟并不显著。

在施加转换开始脉冲（称为转换时间）后的某个时间，转换结果将通过所有ADC的数字接口提供。

图2.同步基于 SAR ADC 的分布式系统。

另一方面，Σ-Δ ADC的操作由于其架构而略有不同。在这种类型的转换器中，内部内核（调制器）以更高的频率（调制器频率，f国防部）比奈奎斯特规定的最小频率，这就是它被称为过采样ADC的原因。

通过以比严格需要的频率高得多的频率采样，可以收集更多数量的样本。然后通过平均滤波器对所有ADC数据进行后处理，原因有两个：

每 4 个平均样本，噪声降低 1 位。

平均滤波器传递函数是低通滤波器。当Σ-Δ架构将其量化噪声推向高频时，应将其消除，如图3所示。因此，此过滤是通过此平均滤波器完成的。

图3.Σ-Δ噪声整形。

平均采样数（称为抽取比（N））决定了输出数据速率（ODR），即ADC提供转换结果的速率（以每秒采样数为单位），如公式1所示。抽取比通常是一个整数，在数字滤波器上具有一组离散可编程的预定义值（即N = 32、64、128等）。因此，通过保持f国防部常数，则 ODR 将根据预定义值集中的 N 值进行配置。

平均过程通常由sinc滤波器在内部实现，调制器的类似转换起始脉冲也在内部产生，因此在触发转换过程时没有外部控制。这种类型的转换器确实是连续采样，跟踪输入信号并处理获取的数据。一旦该过程（采样和平均）完成，转换器就会生成一个数据就绪信号，向控制器指示数据可以通过数字接口读回。

如图 4 所示，Σ-Δ 的流程可以概括为四个主要步骤：

调制器对信号进行采样，频率为f国防部频率。

样本通过sinc数字滤波器取平均值。

sinc滤波器的结果被失调和增益校正。

数据就绪引脚切换，指示转换结果已准备好由控制器回读。

图4.Σ-Δ ADC 流。

由于内部采样触发时没有外部控制，为了同步分布式系统中的多个Σ-Δ型ADC，必须同时复位所有数字滤波器，因为控制平均转换开始的是数字滤波器。

图 5 显示了假设 ODR 相同时对同步的影响，并且国防部在所有Σ-Δ型ADC中。

图5.Σ-Δ 系统重置同步。

与基于SAR ADC的系统类似，必须确保复位滤波器脉冲同时到达所有子系统。

但是，请注意，每次重置数字滤波器时，数据流都会中断，因为滤波器必须再次稳定。在这种情况下，数据中断的持续时间取决于数字滤波器阶数，即 f国防部和抽取率。图 6 显示了一个示例，其中滤波器的 LPF 特性延迟了生成有效输出的时间。

图6.由于数字滤波器建立时间而导致的数据中断。

对分布式系统中同步采样的影响

在分布式系统中，全局同步信号（我们称之为Global_SYNC）在所有模块/子系统之间共享。该同步信号可以由主站或第三方系统（如GPS 1 pps）生成，如图1所示。

一旦收到Global_SYNC信号，每个模块必须重新同步每个转换器的瞬时采样，很可能是其本地时钟，以保证同时性。

在基于 SAR ADC 的分布式系统中，如上一节所述，重新同步本质上很容易：本地时钟（管理转换开始信号）与Global_SYNC信号重新对齐，从此使这些信号同步。

这在产生频率杂散方面具有意义，因为在同步过程中，有一个样本是在不同的时间和距离收集的，如图7中的蓝色突出显示。在分布式应用中，这些杂散可能是可以接受的，而在前面提到的电力线监控等应用中，中断数据流确实至关重要。

图7.将SAR ADC转换过程与全局同步信号对齐。

在基于Σ-Δ的分布式系统中，与Global_SYNC信号有关的再同步稍微复杂一些，因为调制器对模拟输入信号进行连续采样，并且转换过程不像SAR ADC那样由外部控制。

同步多个基于Σ-Δ的分布式系统的最简单方法是重置数字滤波器：所有收集和存储的调制器样本用于平均滤波器，数字滤波器被清空。这意味着，根据数字滤波器阶数，需要一些时间才能再次建立其输出，如图5和图6所示。
 

一旦数字滤波器建立，它将再次提供有效的转换数据，但考虑到建立所需的时间，在Σ-Δ ADC上重置数字滤波器可能不被接受。分布式系统需要重新同步的频率越高，数据流中断就越多，由于持续的数据流中断，这使得Σ-Δ型ADC对于关键的分布式系统不切实际。

传统上，最小化数据中断的方法是使用可调时钟，例如PLL，它可以减少全局同步和f之间的误差。国防部频率。

接收到Global_SYNC脉冲后，Σ-Δ型ADC转换启动与Global_SYNC脉冲之间的不确定性可以按照类似于以下过程计算：

控制器计算采样时刻（通过了解群延迟从数据就绪信号向后计算，如图8所示）和Global_SYNC脉冲之间的时间差。群延迟是数据手册的规格，它考虑了从输入采样到数据就绪引脚切换之间的时间，表明样品已准备好读取。

图8.模拟输入采样和数据就绪切换之间的时间延迟。

如果采样时刻和Global_SYNC之间存在差异，则本地控制器量化时间差（t提前或 t延迟），如图 9 所示。

图9.量化每个ADC的采样时刻（假设群延迟已知）与全局同步信号之间的差异。

如果存在差异，可以重置Σ-Δ滤波器或f国防部可以修改以调整几个样本中的Σ-Δ采样。在这两种情况下，都会遗漏一些样本。请注意，通过更改本地时钟频率 （f国防部），Σ-Δ ADC 正在修改其输出数据速率 （ODR = f国防部/N），以便ADC对其模拟输入进行较慢或较快的采样，目的是使该ADC赶上系统上的其余ADC和Global_SYNC。

如果 f国防部更新后，一旦同步，主时钟频率将恢复到原始频率以返回到以前的ODR，而子系统从此变为同步。

这个改变f的过程国防部在一定时间内如图10所示。

图 10.使用PLL调谐调制器频率的同步方法。

在某些情况下，此方法可能不适用，因为需要考虑一些细节：

将调制器频率更改为非倍数值可能不切实际。

如果可以微调频率，则变化时的频率步进必须很小，否则数字滤波器可能会超出范围，因此同步例程的提前期会变长。

如果所需的ODR变化足够大，可以通过改变抽取率（N）而不是调制器频率（f国防部），但这也意味着缺少样本。

使用PLL意味着消耗额外的功率加上其自身的建立时间，直到达到所需的调制器频率。

一般而言，整体系统复杂性和成本会增加，随着系统尺寸的增加而增加，特别是与SAR ADC相比，只需将转换开始与Global_SYNC信号对齐即可更轻松地解决此问题。此外，在许多情况下，根据上述系统限制和限制，一定无法使用Σ-Δ ADC。

轻松重新同步Σ-Δ型ADC，无数据中断

AD7770系列（包括AD7770、AD7771和AD7779）内置SRC。随着这种新架构的引入，抽取因子（N）作为固定值的限制不再有效。
 

SRC 允许您将十进制数（而不仅仅是整数）编程为抽取率 （N），从而允许您对任何所需的输出数据速率进行编程。在以前的同步方法上，由于N是固定的，因此需要改变外部时钟以调整f国防部为了执行同步例程。
 

使用AD7770系列产品时，由于N可灵活编程和动态重新编程，因此无需更改任何ODR，即可对任何ODR进行编程。国防部并且不会中断数据。

这种用于重新同步基于sigma-Δ的子系统的新方法利用SRC简化了重新同步，最大限度地减少了前面部分中描述的复杂性。

新方法如下：

当接收到Global_SYNC信号时，每个子系统检查其是否同步采样，以数据就绪信号为参考，并使用群延迟来查找实际采样时刻。

如果采样时刻与接收到Global_SYNC信号时存在差异，则本地控制器量化时差（t 提前或 t延迟） 如图 9 所示。

新的 ODR 被编程为通过 SRC 修改抽取因子 （N） 来临时生成更快或更慢的 ODR。重新同步的整个操作将始终需要4个样本（如果AD7771上启用了sinc5滤波器，则为6个样本），但由于这些样本仍然有效且100%建立，因此不会中断数据流。

一旦收到所需的DRDY量，抽取因子将再次重新编程以返回到所需的ODR，从而保证Σ-Δ转换器与其他子系统同步，如图11所示，而不会中断数据流。

图 11.采样率转换器动态调整ODR，以便在所有设备上重新同步采样。

结论

关键的分布式系统需要所有子系统中的同步转换和连续的数据流。

SAR转换器提供了一种直观的方法，通过重新调整转换开始信号并将其与Global_SYNC脉冲对齐来重新同步采样。

在需要高动态范围（DR）或信噪比（SNR）规格的应用中，SAR不是一种选择，但传统的Σ-Δ转换器由于无法灵活地在不中断数据流的情况下重新调整而变得具有挑战性。

如示例中所示，与其他解决方案相比，SRC 提供了具有最小延迟且成本和复杂性低得多的无缝同步例程。

在很多应用中，SRC也可以是有利的。与电力线监控示例一样，任何线路频率变化都可以通过即时更改抽取率来补偿。这样，电力线始终以相干采样频率进行采样。在这里，在关键的分布式系统中，事实证明SRC对于重新同步系统也非常有用，而不必中断数据流，也不需要PLL等额外组件。AD7770解决了同步基于Σ-Δ ADC的分布式系统的传统问题，不会丢失采样，避免了基于PLL的方法增加的成本和复杂性。

审核编辑：郭婷