Новейшая архитектура Σ-Δ-АЦП предотвращает нарушение потока данных во время синхронизации распределенных систем

2 декабря 2021

ответственные примененияAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыSAR ADCSigma-delta ADCархитектура АЦП

Льюис Белтран Гил (Analog Devices)

Распределенные системы сбора данных могут быть синхронизированы как на основе АЦП последовательного приближения, так и на основе сигма-дельта (∑-Δ)-АЦП. Новый подход, основанный на преобразователе частоты дискретизации (SRC), содержащемся в микросхемах линейки AD7770 производства Analog Devices, позволяет достигать синхронизации в системах на основе сигма-дельта-АЦП без прерывания потока данных.

Вы когда-нибудь представляли себя летящим в сверхзвуковом самолете, преодолевающим звуковой барьер? С тех пор как лайнер Конкорд ушел в отставку, это стало недостижимой мечтой для всех, кроме военных пилотов или космонавтов.

Будучи инженером-электронщиком, я интересуюсь тем, как все работает, например, часы с кукушкой, или тем, как каждая система идеально синхронизируется и функционирует в гармонии с другими системами.

Это применимо к любому аспекту нашей жизни. В нашем взаимозависимом мире все синхронизировано – от банковских серверов до будильника в нашем смартфоне. Разница лишь в размере или сложности проблемы, решаемой в каждом отдельном случае – синхронизации различных систем с требуемой точностью или допустимой ошибкой – или в размерах самой системы.

Распределенные системы

В отдельном устройстве для синхронизации нескольких АЦП обычно применяют общую тактирующую частоту генератора. Но когда отдельное устройство должно быть интегрировано в систему, масштаб проблемы меняется, и каждое устройство должно разрабатываться в соответствии со способом применения.

В системе для расчета мгновенной мощности электрического прибора ток и напряжение должны измеряться одновременно.

Проведя быстрый анализ, вы можете решить проблему тремя различными способами:

  • Используйте синхронизированные одноканальные АЦП, чтобы измерить ток и напряжение.
  • Используйте многоканальный АЦП с одновременной выборкой, с независимыми преобразователями, либо со схемой выборки и хранения на каждом канале.
  • Используйте один мультиплексированный АЦП и интерполируйте измерения, чтобы компенсировать временной сдвиг между измерением напряжения и тока.

На данный момент у вас может быть готовое решение, но что делать, если усложнятся системные требования и потребляемую мощность нужно будет замерять в каждой отдельной точке? В таком случае приборы учета мгновенной мощности должны быть синхронизированы между собой, чтобы измерения производились одновременно.

В данном случае вы имеете дело с распределенной системой, которая состоит из набора подсистем, расположенных отдельно друг от друга, но тесно связанных между собой. Каждая подсистема должна предоставлять данные, собранные в один и тот же момент времени, чтобы можно было рассчитать общее мгновенное энергопотребление на производстве.

В конечном итоге все системы должны быть интегрированы в одну общенациональную экосистему. Происходит измерение миллионов ватт мощности, и любой сбой в линиях связи может иметь серьезные последствия, например, повреждение линий электропередач, что, в свою очередь, может привести к отключению электроэнергии со значительными последствиями, например, прекращением энергоснабжения больниц.

Таким образом, все должно быть точно синхронизировано, то есть данные, собранные в системе, должны быть получены в один и тот же момент времени независимо от местоположения измерителя, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Синхронизация электросети

Рис. 1. Синхронизация электросети

В данных условиях вы можете рассматривать это как критически важную распределенную систему, и вы должны получать непрерывный, полностью синхронизированный поток данных от каждого измерительного узла.

Как и в случае с электросетью, эти требования применяются ко многим другим критически важным распределенным системам, которые, среди прочего, можно найти в аэрокосмической или промышленной областях.

АЦП последовательного приближения и сигма-дельта-АЦП

Прежде чем перейти к объяснению того, как синхронизировать время выборки многих АЦП, важно понимать, как каждая топология АЦП определяет, когда производить выборку аналогового входного сигнала; также важно знать о преимуществах и недостатках каждой архитектуры.

  • АЦП последовательного приближения: максимальная входная частота этого преобразователя определяется Найквистом, или половинной частотой дискретизации.
  • Сигма-дельта АЦП: максимальная входная частота, как правило, составляет часть максимальной частоты дискретизации, обычно около 0,3×.

С одной стороны, момент выборки входного сигнала АЦП последовательного приближения управляется внешним импульсом, подаваемым на вывод начала преобразования. Если общий сигнал начала преобразования подходит к каждому АЦП последовательного приближения в синхронизованной системе, как показано на рисунке 2, все они будут запускать выборку одновременно по фронту сигнала начала преобразования. Убедившись, что между сигналами нет значительных задержек, то есть импульсы начала преобразования достигают каждого АЦП последовательного приближения в один и тот же момент времени, можно легко добиться синхронизации системы. Стоит обратить внимание, что задержка распространения между импульсом, достигающим пина начала преобразования, и фактическим моментом выборки не должна изменяться от устройства к устройству, и что в прецизионных АЦП, где скорость выборки относительно низкая, это не имеет значения.

После подачи импульса начала преобразования, спустя некоторое время, называемое временем преобразования, результат будет доступен через цифровой интерфейс во всех АЦП.

Рис. 2. Синхронизация в системах, основанных на АЦП последовательного приближения

Рис. 2. Синхронизация в системах, основанных на АЦП последовательного приближения

С другой стороны, работа сигма-дельта-АЦП несколько отличается из-за его архитектуры. В этом типе преобразователя внутреннее ядро – модулятор – дискретизирует входной сигнал на гораздо более высокой частоте (частота модулятора, fMOD), чем минимальная частота (частота Найквиста), поэтому он называется АЦП с передискретизацией.

Благодаря работе с гораздо более высокой частотой, чем необходимо, собирается дополнительное количество выборок. Затем все данные с АЦП подвергаются постобработке через усредняющий фильтр. Смысл такой обработки – в следующем:

  • Шум уменьшается на 1 бит на каждые 4 усредненных отсчета.
  • Передаточная функция усредняющего фильтра – это фильтр нижних частот. Поскольку сигма-дельта архитектура подталкивает свой шум квантования к высоким частотам, он должен быть удален, как показано на рисунке 3. Таким образом, данная фильтрация выполняется этим усредняющим фильтром.

Число усредненных отсчетов, известное как коэффициент прореживания (децимации) (N), определяет скорость выходных данных (ODR), то есть скорость, с которой АЦП предоставляет результаты преобразования в отсчетах в секунду, как указано в уравнении 1.

Коэффициент прореживания обычно представляет собой целое число с набором заранее определенных значений, дискретно программируемых (то есть N = 32, 64, 128 и т. д.) на цифровом фильтре. Таким образом, сохраняя постоянное значение fMOD, можно настроить ODR в зависимости от значения N в пределах набора предопределенных значений.

$$ODR=\frac{f_{MOD}}{N}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Процесс усреднения обычно реализуется внутри с помощью Sink-фильтра, и аналогичный импульс запуска преобразования для модулятора также генерируется внутри, поэтому внешнее управление запуском процесса преобразования отсутствует. Этот тип преобразователя непрерывно производит выборку, отслеживает входной сигнал и обрабатывает полученные данные. После завершения процесса (выборка и усреднение) преобразователь генерирует сигнал готовности данных, чтобы указать контроллеру, что данные могут быть считаны через цифровой интерфейс.

Рис. 3. Формирование шума в сигма-дельта-АЦП

Рис. 3. Формирование шума в сигма-дельта-АЦП

Рис. 4. Сигма-дельта-АЦП

Рис. 4. Сигма-дельта-АЦП

Рис. 5. Система синхронизации сброса сигма-дельта-АЦП

Рис. 5. Система синхронизации сброса сигма-дельта-АЦП

Как показано на рисунке 4, последовательность операций в сигма-дельта-преобразователе можно разделить на четыре основных этапа:

  • Модулятор производит выборку сигнала на частоте fMOD.
  • Выборки усредняются через цифровой фильтр sinc.
  • Результат sink-фильтра смещается, а усиление корректируется.
  • Вывод данных готовности переключается, показывая, что результат преобразования готов к считыванию контроллером.

Поскольку при срабатывании внутренней выборки отсутствует внешний контроль, для синхронизации нескольких сигма-дельта-АЦП в распределенной системе все цифровые фильтры должны быть сброшены одновременно, так как именно цифровой фильтр управляет началом усредненного преобразования.

На рисунке 5 показано влияние на синхронизацию использования одинаковых ODR и fMOD во всех сигма-дельта-АЦП.

Как и в системах на базе АЦП последовательного приближения, в данном случае необходимо, чтобы импульс сброса фильтра достиг всех подсистем одновременно.

Обратите внимание, что каждый раз, когда цифровой фильтр сбрасывается, поток данных прерывается, так как фильтр должен быть установлен снова. Продолжительность прерывания данных в этом случае зависит от порядка цифрового фильтра, fMOD и скорости прореживания. Пример показан на рисунке 6, где фильтр высоких частот (ФВЧ) осуществляет прерывание до тех пор, пока не будет сгенерирован действительный выходной сигнал.

Рис. 6. Нарушение целостности данных на период установки цифрового фильтра

Рис. 6. Нарушение целостности данных на период установки цифрового фильтра

Влияние на синхронизацию выборки в распределенных системах

В распределенной системе сигнал глобальной синхронизации (назовем его Global_SYNC) распределяется между всеми модулями/подсистемами. Этот сигнал синхронизации может быть сгенерирован мастером или сторонней системой, например GPS-сигнал 1 pps, как показано на рисунке 1.

После получения сигнала Global_SYNC каждый модуль должен повторно синхронизировать мгновенную выборку каждого преобразователя и, скорее всего, свою внутреннюю частоту, чтобы гарантировать синхронную работу.

В распределенной системе на основе АЦП последовательного приближения повторная синхронизация по сути проста, как описано в предыдущем разделе: тактирование устройства (которое управляет сигналом начала преобразования) согласуется с сигналом Global_SYNC, с момента такого согласования получая эти сигналы синхронно.

Это имеет значение с точки зрения генерации паразитных импульсов, потому что во время синхронизации имеется одна выборка, которая была получена при других значениях времени и расстояния, что выделено синим цветом на рисунке 7. В распределенных приложениях эти паразитные импульсы могут быть приемлемыми, но в то же время нарушение потока данных может быть критично в таких приложениях, как, например, мониторинг линий электропередач.

Рис. 7. Согласование процесса преобразования АЦП SAR с сигналом глобальной синхронизации

Рис. 7. Согласование процесса преобразования АЦП SAR с сигналом глобальной синхронизации

В распределенных системах на основе сигма-дельта повторная синхронизация по отношению к сигналу Global_SYNC немного сложнее, потому что модулятор непрерывно дискретизирует аналоговый входной сигнал, а внешнее управление процессом преобразования, как в случае с АЦП последовательного приближения, отсутствует.

Самый простой способ синхронизировать несколько распределенных систем на основе сигма-дельта – это сбросить цифровой фильтр: все отсчеты модулятора, собранные и сохраненные для использования в усредняющем фильтре, сбрасываются, а цифровой фильтр очищается. Это означает, что потребуется некоторое время, в зависимости от порядка цифрового фильтра, чтобы снова установить его выходной сигнал, как показано на рисунках 5 и 6.

Как только цифровой фильтр восстановится, он снова предоставит актуальные данные преобразования, но сброс цифрового фильтра на сигма-дельта-АЦП, подразумевающий нарушение данных, может быть неприемлемым, учитывая количество времени, необходимое для восстановления. Чем чаще требуется повторная синхронизация распределенной системы, тем больше будет прерываний потока данных, что может сделать сигма-дельта-АЦП непрактичным для критически важных распределенных систем из-за нарушения непрерывного потока данных.

Традиционно методом минимизации ошибки данных после синхронизации было использование автоподстроек частоты, таких как ФАПЧ, которые снижают вероятность ошибки между глобальной синхронизацией и частотами fMOD.

После получения импульса Global_SYNC неопределенность между началом преобразования сигма-дельта-АЦП и импульсом Global_SYNC может быть вычислена в соответствии с процессом, аналогичным следующему:

  • Контроллер вычисляет разницу во времени между моментом выборки (вычисленным в обратном направлении из сигнала готовности данных, принимая во внимание групповую задержку, как показано на рисунке 8) и импульсом Global_SYNC.
  • Если есть расхождение между моментом выборки и Global_SYNC, локальный контроллер количественно определяет разницу во времени (tahead или tdelayed), как показано на рисунке 9.

Рис. 8. Временная задержка между преобразованием аналогового сигнала и установкой флага готовности данных

Рис. 8. Временная задержка между преобразованием аналогового сигнала и установкой флага готовности данных

Рис. 9. Количественная оценка несоответствия между моментом выборки каждого АЦП (при известной групповой задержке) и глобальным сигналом синхронизации

Рис. 9. Количественная оценка несоответствия между моментом выборки каждого АЦП (при известной групповой задержке) и глобальным сигналом синхронизации

  • Если имеется расхождение, фильтр сигма-дельта-АЦП можно сбросить или изменить fMOD, чтобы скорректировать данные в течение нескольких выборок. В обоих случаях некоторое количество данных будет утеряно. Обратите внимание, что, изменяя локальную тактовую частоту (fMOD), сигма-дельта АЦП изменяет скорость выходных данных (ODR = fMOD/N), так что АЦП дискретизирует свой аналоговый вход либо медленнее, либо быстрее, чтобы догнать остальные преобразователи в системе и Global_SYNC.
  • Если fMOD обновляется один раз в синхронном режиме, основная тактовая частота возвращается к исходной частоте, чтобы вернуться к предыдущему ODR, в то время как подсистема с этого момента становится синхронной.

Этот процесс изменения fMOD в течение определенного периода времени показан на рисунке 10.

Рис. 10. Метод синхронизации с использованием ФАПЧ для настройки частоты модулятора

Рис. 10. Метод синхронизации с использованием ФАПЧ для настройки частоты модулятора

Данная методика в некоторых случаях может быть неприменимой, так как необходимо учитывать несколько нюансов:

  • Изменение частоты модулятора на некратные значения может оказаться непрактичным.
  • Если возможна точная настройка частоты, шаги частоты при изменении должны быть небольшими, в противном случае цифровой фильтр может выйти за граничные значения, и время выполнения процедуры синхронизации увеличится.
  • Если есть необходимость достаточно сильно изменить ODR, решением может стать изменение скорости децимации (N) вместо частоты модулятора (fMOD), но это также приведет к пропущенным данным в выборке.
  • Использование ФАПЧ подразумевает дополнительную потребляемую мощность плюс собственное время установления желаемой частоты модулятора.

В целом, сложность и стоимость системы увеличиваются с ростом ее размеров, особенно по сравнению с системами на основе АЦП последовательного приближения, где эта проблема решалась быстрее путем согласования начала преобразования с сигналом Global_SYNC. Кроме того, во многих случаях использование сигма-дельта-АЦП может быть невозможно из-за системных ограничений и ограничений, описанных выше.

Простая ресинхронизация сигма-дельта-АЦП без прерывания передачи данных 

Микросхемы семейства АЦП AD7770 (которое включает в себя AD7770, AD7771 и AD7779) имеют встроенный преобразователь частоты дискретизации (SRC). Разработка этих микросхем с новейшей архитектурой сняла ограничение на применение фиксированных значений коэффициента прореживания (N).

SRC позволяет программировать не только целые, но и десятичные значения, например, скорости прореживания (N), что позволяет установить любую желаемую скорость выходных данных. Так как в предыдущем методе синхронизации N было фиксированным, необходимо было изменить внешнее тактирование, чтобы настроить fMOD для выполнения процедуры синхронизации.

Поскольку N гибко программируется и может быть перепрограммировано «на лету», в семействе преобразователей AD7770 любой ODR может быть запрограммирован без необходимости изменения fMOD и без нарушения данных.

Этот новый метод ресинхронизации подсистем на базе сигма-дельта с использованием SRC упрощает ресинхронизацию, сводя к минимуму сложности, описанные в предыдущих разделах.

Новая методика выглядит следующим образом:

  • Когда принимается сигнал Global_SYNC, каждая подсистема проверяет, выполняет ли она выборку синхронно, принимая за эталон сигнал готовности данных и используя групповую задержку для определения фактического момента выборки.
  • Если есть несоответствие между моментом выборки и моментом, когда был получен сигнал Global_SYNC, локальный контроллер количественно определяет разницу во времени (tahead или tdelayed), как показано на рисунке 9.
  • Новый ODR запрограммирован на временное генерирование более быстрого или медленного ODR посредством изменения коэффициента децимации (N) с помощью SRC. Вся операция ресинхронизации будет занимать 4 выборки (или 6, если на AD7771 включен фильтр sinc5), но без прерывания потока данных, так как эти выборки действительны.
  • После получения требуемого количества сигналов готовности данных (DRDY) коэффициент децимации снова перепрограммируется для возвращения к желаемой скорости выходных данных (ODR), что гарантирует, что сигма-дельта-преобразователь синхронизируется с остальными подсистемами, как показано на рисунке 11, без нарушения потока данных.

Рис. 11. Конвертер частоты дискретизации настраивает скорость выходных данных (ORD) на лету, чтобы повторно синхронизировать семплирование на всех устройствах

Рис. 11. Конвертер частоты дискретизации настраивает скорость выходных данных (ORD) на лету, чтобы повторно синхронизировать семплирование на всех устройствах

Заключение 

Критически важные распределенные системы требуют синхронного преобразования во всех подсистемах и непрерывного потока данных.

Преобразователи последовательного приближения SAR предоставляют интуитивно понятный способ повторной синхронизации выборки путем считывания и согласования сигнала начала преобразования с импульсом Global_SYNC.

Приложениям, требующим высоких характеристик динамического диапазона (DR) или отношения сигнал/шум (SNR), SAR не подходит, но традиционные сигма-дельта-преобразователи становятся проблемой из-за сложности их перенастройки без нарушения потока данных.

Как видно из примера, преобразователь частоты дискретизации (SRC) обеспечивает бесперебойную процедуру синхронизации с минимальной задержкой, гораздо менее затратную и сложную, чем другие решения.

Есть множество приложений, в которых SRC может стать незаменимым. Как и в случае с примером мониторинга линии электропередачи, любое изменение частоты может быть компенсировано путем немедленного изменения скорости децимации на лету. Таким образом, линия электропередачи всегда дискретизируется с когерентной частотой дискретизации. Пример критически важных распределенных систем продемонстрировал, что SRC также может быть очень полезен для повторной синхронизации системы без прерывания потока данных и без применения дополнительных компонентов, таких как системы ФАПЧ. AD7770 решает традиционную проблему синхронизации распределенных систем на основе сигма-дельта-АЦП без пропуска выборок, без дополнительных затрат и без применения сложного метода на основе ФАПЧ.

Оригинал статьи

Перевел Антон Хомяков (Компэл)

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
AD7770ACPZ-RL (AD)
AD7770ACPZ (AD)
AD7771BCPZ (AD)
AD7771BCPZ-RL (AD)
AD7779ACPZ (AD)
AD7779ACPZ-RL (AD)