同步关键的分布式系统

本文介绍了基于SAR ADC的系统和基于sigma-delta (∑-Δ) ADC的分布式数据采集系统同步的传统方法，且探讨了这两种架构之间的区别。我们还将讨论同步多个Σ-Δ ADC时遇到的典型不便。最后，提出一种基于AD7770采样速率转换器(SRC)的创新同步方法，该方法显示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。

简介

您是否曾经想象过，自己正坐在一辆打破音障的超音速飞机上?自从协和式超音速喷射客机退役后，这似乎已经成了一个不可能实现的梦想，除非您是一名军机驾驶员或是一名宇航员。

身为一名电子工程师，我对一切事物的运作方式都非常着迷，比如对布谷鸟钟，我很好奇它的每个独立系统如何与其他系统和谐地保持同步。

我们生活的各方各面也是这样。我们生活在一个相互联系的世界，一切都是同步的——从银行服务器到智能手机的警报。区别就在于各种特定情况下要解决的问题的大小或复杂性、不同系统的同步与所需的精度(或者容差)，或者要同步的系统的大小。

分布式系统

在独立设计中，使用的本地时钟或振荡器本身就会进行同步。但是，当独立设计需要集成到更广泛的系统(我们称之为分布式系统)中时，问题的角度会发生改变，独立系统也应该根据用例进行设计。

要计算一个系统中的电器的瞬时功耗，必须同时测量电流和电压。

通过快速分析，您可以用三种不同的方法来解决问题：

使用两个同步单通道ADC来测量电流和电压。

使用一个多通道同步采样ADC，它的每个通道都可能有一个ADC，或者每个通道有一个采样保持电路。

使用一个多路复用ADC，并且插入测量值，以补偿电压和电流测量之间的时间平移。

至此，您可能已经获得可以解决该问题的可靠解决方案，但是，如果我们扩展系统需求，从原来的单件电器辐射到整个应用，必须测量整个工厂中的每个交流电源插座的功率呢?现在，您原有的瞬时功耗设计必须分布应用于整个工厂，而且要保证其设计能够同时测量和计算每个交流电源插座功耗。

您现在面对的是一个分布式系统，它由一组相互独立但又紧密相关的子系统组成。每个子系统需要提供在同一时间点采样的数据，以便计算工厂的瞬时总功耗。

最后，如果我们继续扩展假设的应用示例，想象一下，如果要将您的原始设计集成到国家电网之中。现在，您检测的是数百万瓦功率，任何一个链路出现问题都会导致可怕后果，例如因为压力导致的线路损坏，反过来，这又可能导致停电，造成可怕后果，例如火灾，或者医院停电。

因此，所有系统都必须准确同步，也就是说，在整个电网中捕获的数据必须是在同一时刻捕获，无论各数据所处的地理情况如何，具体如图1所示。

图1.电网同步。

在这些情况下，您可以将其视为一个关键的分布式系统，且必须从每个感知节点获得连续的、完全同步的数据流。

与电网示例类似，这些要求也适用于航空航天或工业市场中的许多其他关键分布式系统示例。

奈奎斯特ADC和过采样ADC

在开始解释如何同步多个ADC的采样时刻之前，最好先了解每个ADC拓扑如何决定何时采样模拟输入信号，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 ADC：最大输入频率一般与最大采样频率成比例，一般约为0.3。

一方面，SAR ADC的输入信号采样时刻通过施加于转换开始引脚的外部脉冲进行控制。如图2所示，将一个通用转换开始信号应用到被同步系统中每个SAR ADC上，它们都会在转换起始信号的边缘同时触发采样。只要确保信号之间没有明显的延迟，即转换开始脉冲在同一时刻及时到达每个SAR ADC，系统同步就很容易实现。注意，到达转换开始引脚的脉冲与实际采样时刻之间的传播延迟不能因设备而不同，在采样速度相对较慢的精密ADC中，这种延迟不显著。