我們生活的各方各面也是這樣。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)別就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。
想要避免中斷數(shù)據(jù)流?送你一個(gè)不一樣的同步方法
發(fā)布時(shí)間:2019-11-27 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文介紹了基于ASR 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,且探討了這兩種架構(gòu)之間的區(qū)別。我們還將討論同步多個(gè)∑-?ADC時(shí)遇到的典型不便。最后,提出一種基于AD7770采用速率轉(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(shí)現(xiàn)同步。
身為一名電子工程師,我對一切事物的運(yùn)作方式都非常著迷,比如對布谷鳥鐘,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。
我們生活的各方各面也是這樣。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)別就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。
我們生活的各方各面也是這樣。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)別就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。
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)測量電流和電壓。通過快速分析,您可以用三種不同的方法來解決問題:
● 使用兩個(gè)同步單通道ADC來測量電流和電壓。
● 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。
● 使用一個(gè)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(shí)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(gè)應(yīng)用,必須測量整個(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)測量和計(jì)算每個(gè)交流電源插座功耗。
您現(xiàn)在面對的是一個(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)集成到國家電網(wǎng)之中?,F(xiàn)在,您檢測的是數(shù)百萬瓦功率,任何一個(gè)鏈路出現(xiàn)問題都會(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(gè)電網(wǎng)中捕獲的數(shù)據(jù)必須是在同一時(shí)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。
圖1. 電網(wǎng)同步。
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)市場中的許多其他關(guān)鍵分布式系統(tǒng)示例。
奈奎斯特ADC和過采樣ADC
在開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(hào)采樣時(shí)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(gè)通用轉(zhuǎn)換開始信號(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)之間沒有明顯的延遲,即轉(zhuǎn)換開始脈沖在同一時(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(gè)時(shí)間(也稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間),轉(zhuǎn)換結(jié)果將通過所有ADC的數(shù)字接口顯示。
圖2. 同步基于SAR ADC的分布式系統(tǒng)。
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(hào)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(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:
● 每4個(gè)平均樣本,噪聲降低1位。
● 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。
圖3. ∑-?噪聲整形。
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,如公式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 fMOD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(gè)sinc濾波器在內(nèi)部實(shí)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(huì)從外部管控轉(zhuǎn)換過程觸發(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)可以通過數(shù)字接口回讀。如圖4所示,∑-?的工作流程可以概括為四個(gè)主要步驟:
● 調(diào)制器以 fMOD 頻率對信號(hào)采樣。
● 通過sinc數(shù)字濾波器對樣本進(jìn)行平均。
● 對sinc濾波器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移和增益校正。
● 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。
圖4. ∑-? ADC工作流程圖。
由于沒有從外部控制何時(shí)觸發(fā)內(nèi)部采樣,所以如果要對分布式系統(tǒng)中的多個(gè)∑-? ADC進(jìn)行同步,必須同時(shí)對所有數(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∑-?ADC都采用相同的ODR和fMOD的情況下,對同步產(chǎn)生的影響。
圖5. ∑-?系統(tǒng)復(fù)位同步
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、 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(shí)間,直到生成有效的輸出。
圖6. 由于數(shù)字濾波器的建立時(shí)間導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷。
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(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 1 pps)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)上很簡單,如前一節(jié)所述:本地時(shí)鐘(管理轉(zhuǎn)換開始信號(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。
圖7. 調(diào)整SAR ADC轉(zhuǎn)換過程,使之與全局同步信號(hào)匹配。
在基于∑-?的分布式系統(tǒng)中,重新與Global_SYNC信號(hào)同步的過程會(huì)稍微復(fù)雜一些,這是因?yàn)檎{(diào)制器會(huì)持續(xù)對模擬輸入信號(hào)采樣,而轉(zhuǎn)換過程也不像SAR ADC一樣從外部控制。
要對多個(gè)基于∑-?的分布式系統(tǒng)實(shí)施同步,一個(gè)簡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∑-?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,∑-?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(shí)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Global_SYNC脈沖后,可以采用類似以下的流程,計(jì)算∑-? ADC轉(zhuǎn)換開始和Global_SYNC脈沖之間的不確定性:
● 控制器計(jì)算采樣時(shí)刻(通過了解群延遲從數(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(shí)間間隔。
圖8. 被采樣的模擬輸入和數(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。
圖9. 量化每個(gè)ADC的采樣時(shí)刻(假設(shè)群延遲已知)和全局同步信號(hào)之間的時(shí)間差。
● 如果存在差異,可以重新設(shè)置∑-?濾波器,或者修改 fMOD 便在幾個(gè)采樣期間調(diào)整∑-?采樣。無論哪種情況,都可能漏掉幾個(gè)樣本。注意,通過改變局部時(shí)鐘頻率 (fMOD), ∑-? ADC會(huì)改變其輸出數(shù)據(jù)速率(ODR = fMOD/N), 如此,ADC會(huì)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。
● 如果 fMOD 被更新,那么在同步之后,主時(shí)鐘頻率會(huì)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(shí)刻開始同步。
在一段時(shí)間內(nèi)改變 fMOD 的過程如圖10所示。
圖10.同步方法,采用PLL來調(diào)諧調(diào)制器的頻率。
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:
● 將調(diào)制器頻率更改為非整數(shù)倍值可能是不實(shí)際的。
● 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(huì)超出限制,導(dǎo)致同步的實(shí)施時(shí)間變長。
● 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 (fMOD )來解決,但是,這也意味著會(huì)丟失一些樣本。
● 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。
一般來說,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,對于后者,只需要將轉(zhuǎn)換開始調(diào)整到與Global_SYNC信號(hào)匹配,即可輕松解決這個(gè)問題。此外,在許多情況下,因?yàn)榇嬖谏鲜鱿到y(tǒng)限制,所以∑-? ADC無法使用。
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(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)鐘來調(diào)節(jié) fMOD 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,最大程度地簡化了前面章節(jié)提到的復(fù)雜性。
新方法如下:
● 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。
● 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。
● 這時(shí),會(huì)對一個(gè)新的ODR編程,使其通過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。
● 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∑-? 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。
圖11.采樣速率轉(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。
AD7770
● 8通道、24位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)
● 單端或真差分輸入
● 每通道均有可編程增益放大器(PGA,增益為1、2、4和8)
● 低直流輸入電流:±8 nA
● 每通道的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)最高可達(dá)32 kSPS
● 可編程ODR和帶寬
● 用于相干采樣的采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)
(1)采樣速率分辨率高達(dá)15.2 × 10−6 SPS
● 低延遲sinc3濾波器路徑
● 可調(diào)相位同步
● 2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源
● 兩種功耗模式:
(1)高分辨率模式
(2)低功耗模式
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(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)∑-?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(dòng)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(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解決了對基于∑-? ADC的分布式系統(tǒng)進(jìn)行同步的傳統(tǒng)問題,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。
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