本文介紹了同步基於SAR ADC 的係統和基於-? ADC 的分布式數據采集係統的傳統方法，並探討了兩種架構之間的差異。我們還將討論同步多個- 時遇到的典型不便之處。 ADC。最後，提出了一種基於AD7770 采樣率轉換器(SRC) 的創新同步方法，該方法展示了如何在不中斷數據流的情況下在基於- ADC 的係統上實現同步。
介紹
您是否想象過自己正乘坐一架突破音障的超音速飛機？自從協和式超音速噴氣式客機退役以來，這似乎是一個不可能實現的夢想，除非你是一名軍事飛行員或宇航員。
作為一名電子工程師，我對一切的工作原理很著迷。我很好奇它的每個單獨係統如何與其他係統和諧同步，例如布穀鳥鍾。
我們生活的方方麵麵也是如此。我們生活在一個互聯的世界，從銀行服務器到智能手機警報，一切都是同步的——。差異在於每種特定情況下要解決的問題的規模或複雜性、不同係統的同步和所需的精度（或容差）、或者要同步的係統的規模。
分布式係統
在獨立設計中，所使用的本地時鍾或振蕩器本身是同步的。然而，當獨立設計需要集成到更廣泛的係統（我們稱之為分布式係統）中時，問題的視角發生變化，獨立係統也應該根據用例進行設計。
要計算係統中設備的瞬時功耗，必須測量電流和電壓。
通過快速分析，您可以通過三種不同的方式解決問題：
使用兩個同步單通道ADC 來測量電流和電壓。
使用多通道同時采樣ADC，每個通道可能有一個ADC，或者每個通道有一個采樣保持電路。
使用多路複用ADC 並對測量值進行插值以補償電壓和電流測量值之間的時移。
至此，您可能已經有了解決問題的可靠方法，但是如果我們將係統要求從原來的單個電器輻射到整個應用，需要測量整個工廠每個交流插座的功率呢？現在，您原來的瞬時功耗設計必須分布在整個工廠，並設計為同時測量和計算每個交流插座的功耗。
你現在處理的是一個分布式係統，它由一組獨立但密切相關的子係統組成。每個子係統需要提供同一時間點采樣的數據，以便計算工廠的瞬時總功耗。
最後，如果我們繼續擴展假設的應用示例，想象一下您的原始設計是否要集成到國家電網中。現在，您正在測量數百萬瓦的功率，任何一個鏈路出現問題都可能產生可怕的後果，例如由於壓力而導致線路損壞，這反過來又可能導致停電，從而帶來可怕的後果，例如火災或醫院停電。
因此，所有係統必須精確同步，即整個網格捕獲的數據必須同時捕獲，而不管每個數據的地理位置如何，如圖1所示。
圖1. 電網同步。
在這些情況下，您可以將其視為關鍵的分布式係統，並且必須擁有來自每個傳感節點的連續、完全同步的數據流。
與電網示例類似，這些要求適用於航空航天或工業市場中關鍵分布式係統的許多其他示例。
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，最好先了解每種ADC 拓撲如何確定何時對模擬輸入信號進行采樣，以及每種架構的優缺點。
奈奎斯特或SAR ADC：該轉換器的最大輸入頻率由奈奎斯特或半采樣頻率決定。
過采樣還是-？ ADC：最大輸入頻率一般與最大采樣頻率成正比，通常為0.3左右。
一方麵，SAR ADC 的輸入信號采樣時刻由施加到轉換啟動引腳的外部脈衝控製。如圖2所示，當一個公共轉換啟動信號施加到同步係統中的每個SAR ADC時，它們將在轉換啟動信號的邊沿同時觸發采樣。通過確保信號之間沒有明顯的延遲（即轉換啟動脈衝同時到達每個SAR ADC），可以輕鬆實現係統同步。請注意，到達轉換啟動引腳的脈衝與實際采樣時刻之間的傳播延遲不會因器件而異，並且在采樣速度相對較慢的精密ADC 中，此延遲並不顯著。
在施加轉換啟動脈衝後的某個時間（也稱為轉換時間），轉換結果通過所有ADC 的數字接口顯示。
圖2. 同步基於SAR ADC 的分布式係統。
另一方麵，-？由於架構不同，ADC 操作也略有不同。在此類轉換器中，內部核心（即調製器）以高於奈奎斯特規定的最小頻率的頻率（調製器頻率，fMOD）對輸入信號進行采樣，因此稱為過采樣ADC。
通過以高於嚴格必要的頻率進行采樣，可以收集更多的樣本。然後使用平均濾波器對所有ADC 數據進行後處理，原因有兩個：
每4 個平均樣本，噪聲就減少1 位。
平均濾波器傳遞函數是低通濾波器。當-？如果架構將其量化噪聲推向高頻，則應去除平均濾波器傳遞函數，如圖3所示。因此，該濾波是由該平均濾波器完成的。
圖3. -?噪聲整形。
平均樣本數（稱為抽取率(N)）決定了輸出數據率(ODR)，即ADC 以樣本/秒為單位提供轉換結果的速率，如公式1 所示。抽取率通常為整數，具有一組可在數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 恒定，ODR 將根據預定義值集中的N 值進行配置。
平均過程通常由sinc 濾波器在內部實現。調製器的模擬轉換啟動脈衝也是內部產生的，因此轉換過程觸發不受外部控製。這種類型的轉換器實際上連續采樣、跟蹤輸入信號並處理結果數據。一旦這個過程（采樣和平均）完成，轉換器就會生成數據就緒信號，通知控製器可以通過數字接口讀回數據。如圖4所示，-？可以概括為四個主要步驟：
如圖4所示，-？可以概括為四個主要步驟：
調製器以fMOD 頻率對信號進行采樣。
樣本通過sinc 數字濾波器進行平均。
對sinc 濾波器提供的數據進行偏移和增益校正。
數據就緒引腳切換表示轉換結果已準備好由控製器讀回。
圖4. -? ADC 工作流程圖。
由於內部采樣何時觸發沒有外部控製，如果要同步多個-？對於分布式係統中的ADC，您必須同時對所有數字濾波器實施複位。這是因為平均轉換是由數字濾波器發起的。控製。
圖5顯示了當所有-？時對同步的影響。 ADC 使用相同的ODR 和fMOD。
圖5. -?係統複位同步
與基於SAR ADC 的係統一樣，必須確保複位濾波器脈衝同時到達每個子係統。
但請注意，每次重置數字濾波器時，數據流都會中斷，因為濾波器必須重置。在此示例中，數據中斷的持續時間由數字濾波器的階數、fMOD 和抽取率確定。在圖6 所示的示例中，濾波器的LPF 特性將延遲時間，直到生成有效輸出。
圖6. 數字濾波器穩定時間導致的數據中斷。
分布式係統中同步采樣的含義
在分布式係統中，全局同步信號（我們稱之為Global_SYNC）在所有模塊/子係統之間共享。該同步信號可以由主機係統或第三方係統（例如GPS 1 pps）生成，如圖1所示。
收到Global_SYNC 信號後，每個模塊必須重新同步每個轉換器的瞬時樣本（很可能是其本地時鍾）以確保同時性。
在基於SAR ADC 的分布式係統中，重新同步本質上很簡單，如上一節所述：本地時鍾（管理轉換啟動信號）再次與Global_SYNC 信號匹配，然後同步獲取該信號。
這意味著會產生頻率雜散，因為在同步期間會在不同的時間和距離進行采樣，如圖7 中藍色突出顯示的那樣。在分布式應用中，這些雜散可能是可以接受的，而中斷數據流在某些應用中確實至關重要，比如前麵提到的電力線監控。
圖7. 調整SAR ADC 轉換過程以匹配全局同步信號。
在-？基於分布式係統，重新同步到Global_SYNC 信號的過程稍微複雜一些，因為調製器不斷采樣模擬輸入信號，並且轉換過程不像SAR ADC 那樣受到外部控製。
同步多個-？基於分布式係統，一種簡單的方法是重置數字濾波器：丟棄所有收集和存儲的要在平均濾波器上使用的調製器示例，並清除數字濾波器。這意味著：根據數字濾波器的階數，需要一些時間才能再次確定其輸出，如圖5 和圖6 所示。
數字濾波器完成設置後，會再次提供有效的轉換數據，但在-？上重置數字濾波器可能會導致數據中斷。考慮到設置所需的時間，ADC 是不可接受的。分布式係統需要重新同步的頻率越高，數據流中斷的次數就越多，並且由於這種連續的數據流中斷，-? ADC 將無法用於關鍵的分布式係統。
傳統上減少數據中斷的方法是使用可調諧時鍾，例如PLL，它可以減少全局同步頻率和fMOD 頻率之間的誤差。
接收到Global_SYNC脈衝後，可以使用類似於以下的過程來計算-？ ADC 轉換和Global_SYNC 脈衝：
控製器計算采樣時刻（通過了解群延遲從數據就緒信號向後計算，如圖8 所示）和Global_SYNC 脈衝之間的時間差。群延遲是一個數據表規範，描述了對輸入進行采樣和打開數據就緒引腳（指示樣本已準備好讀取）之間的時間間隔。
圖8. 采樣模擬輸入和數據就緒切換之間的時間延遲。
如果采樣時間和Global_SYNC之間存在時間差，本地控製器將量化時間差（tahead或tdelayed），如圖9所示。
圖9. 量化每個ADC 的采樣時刻（假設群延遲已知）與全局同步信號之間的時間差。
如果有差異，可以重新設置-？濾波器，或修改fMOD來調整-？對多個樣本進行抽樣。無論哪種情況，都可能會丟失幾個樣本。請注意，通過更改本地時鍾頻率(fMOD)，ADC 將更改其輸出數據速率(ODR=fMOD/N)，因此ADC 將減慢或加快模擬輸入的采樣速度，以匹配其餘部分。係統。 ADC 和Global_SYNC 是同步的。
如果更新了fMOD，則同步後，主時鍾頻率恢複到原來的頻率，回到之前的ODR，子係統從此時開始同步。
fMOD 在一段時間內的變化過程如圖10 所示。
圖10. 使用PLL 調整調製器頻率的同步方法。
這種方法在某些情況下可能不適合，因為有幾個細節需要考慮：
將調製器頻率更改為非整數倍可能不切實際。
如果頻率可以微調，則變化的頻率步長必須很小，否則數字濾波器可能會超出限製，導致同步需要更長的時間才能實現。
如果所需的ODR 變化足夠大，可以通過改變抽取率(N) 而不是改變調製器頻率(fMOD) 來解決，但這也意味著一些樣本將會丟失。
使用PLL 意味著在達到所需的調製器頻率之前，除了其自身的穩定時間之外，還會消耗額外的功率。
一般來說，整體係統複雜性和成本隨著係統尺寸的增加而增加，特別是與SAR ADC相比，隻需調整轉換開始以匹配Global_SYNC信號即可輕鬆解決此問題。此外，在許多情況下，-？由於上述係統限製，無法使用ADC。
輕鬆重新同步-? ADC 不中斷數據
AD7770 係列產品（包括AD7770、AD7771 和AD7779）具有內置SRC。隨著這種新架構的引入，固定抽取率（N）造成的限製將不再存在。
SRC 允許您采用十進製數（而不僅僅是整數）作為抽取率(N)，因此您可以采用您想要的任何輸出數據速率。在之前的同步方法中，由於N是固定的，因此必須改變外部時鍾來調整fMOD才能實現同步。
使用AD7770係列產品後，N將成為一個可以隨時編程的靈活可編程值，因此可以在不改變fMOD或中斷數據的情況下對ODR進行編程。
這種重新同步- 的新方法？基於子係統利用SRC 來簡化重新同步過程，最大限度地減少前麵部分提到的複雜性。
新方法如下：
各子係統收到Global_SYNC信號後，檢查采樣是否同步，以數據就緒信號為參考，利用群時延求得實際采樣時間。
如果采樣時刻與接收到Global_SYNC 信號的時間之間存在時間差，則本地控製器將量化該時間差（tahead 或tdelayed），如圖9 所示。
此時，新的ODR被編程以通過SRC改變抽取率（N），從而暫時生成更快或更慢的ODR。整個重新同步操作通常需要4 個樣本（如果AD7771 上啟用了sinc5 濾波器，則為6 個樣本），但由於這些樣本仍然有效且完全設置，因此它們不會導致數據流中斷。
一旦接收到所需數量的DRDY，抽取因子就會重置以返回所需的ODR，從而確保-？ ADC 與子係統的其餘部分保持同步，如圖11 所示，不會導致數據中斷。
圖11. 采樣率轉換器動態調整ODR 以重新同步所有設備之間的采樣。
綜上所述
關鍵的分布式係統要求所有子係統同時轉換並具有連續的數據流。
SAR 轉換器提供了一種直觀的方法，通過重新調整轉換啟動信號以匹配Global_SYNC 脈衝來重新同步采樣。
SAR 不能用於需要高動態範圍(DR) 或信噪比(SNR) 的應用，但傳統的sigma-to-?轉換器也變得難以使用，因為這些轉換器不具有在不中斷數據的情況下轉換數據的靈活性。如果有流量，請重新調整。
如示例所示，SRC 提供了無縫同步例程，與其他解決方案相比，延遲、成本和複雜性都更少。
SRC 可用於許多應用。與電力線監控示例一樣，任何線路頻率變化都可以通過立即動態改變提取率來補償。這保證了電力線的采樣頻率始終一致。如本文所示，SRC 還可用於高效地重新同步關鍵分布式係統中的係統，而無需中斷數據流或需要使用PLL 等附加組件。 AD7770解決了基於-?的分布式係統同步的傳統問題。 ADC 不會丟失樣本，也不會產生基於PLL 的方法的額外成本和複雜性。
