本文介紹了基于SAR ADC的系統(tǒng)和基于sigma-delta (∑-Δ) 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Σ-Δ 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Σ-Δ ADC的系統(tǒng)上實現(xiàn)同步。

簡介

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)和式超音速噴射客機退役后，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一名宇航員。

身為一名電子工程師，我對一切事物的運作方式都非常著迷，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。

我們生活的各方各面也是這樣。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)別就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。

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，您可以用三種不同的方法來解決問題：

使用兩個同步單通道ADC來測量電流和電壓。

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。

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。

圖1.電網(wǎng)同步。

在這些情況下，您可以將其視為一個關鍵的分布式系統(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Σ-Δ 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。