Система синхронизации групп дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей периодическим сигналом Российский патент 2025 года по МПК H03L7/85 H03M1/12 

Изобретение относится к области гидроакустики, радиотехники и электротехники и может быть использовано для построения синхронных многоканальных систем аналого-цифрового преобразования при использовании дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей (дельта-сигма АЦП).

Задача синхронизации большого числа дельта-сигма АЦП, установленных на значительных расстояниях друг от друга, является актуальной и труднорешаемой в связи с тем, что дельта-сигма АЦП в отличие от АЦП последовательного приближения имеют более широкий динамический диапазон, фильтры преддискретизации для них гораздо проще, но они должны работать непрерывно, и периодическое прерывание работы для их синхронизации не допускается.

В настоящее время в больших гидроакустических комплексах применяются АЦП последовательного приближения, которые объединены в компактные группы, а синхронизация всех групп АЦП в комплексе производится периодическими сигналами дискретизации [Рыжиков А.В., Барсуков Ю.В. Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике: учеб. пособие // СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», - 2007. с. 64]. В АЦП последовательного приближения цикл преобразования аналогового сигнала в цифровой начинается с приходом сигнала дискретизации и заканчивается до прихода следующего сигнала дискретизации.

Преимуществами дельта-сигма АЦП перед АЦП последовательного приближения являются более высокое число разрядов, более широкий динамический диапазон, существенное упрощение фильтра преддискретизации, ограничивающего спектр сигнала, поступающего на вход АЦП.

Известен способ синхронизации дельта-сигма АЦП, при котором на все дельта-сигма АЦП подается сигнал тактовой частоты и одиночный сигнал начальной установки [например, Data sheet AD7722 16-Bit, 195 KSPS CMOS, A-J. ADC, Analog Devices 20031]. Недостаток этого способа синхронизации состоит в низкой помехозащищенности. Если под воздействием помехи синхронизация какого-либо дельта-сигма АЦП нарушается, то она не восстанавливается. Для восстановления синхронизации необходимо прервать работу комплекса и подать на все дельта-сигма АЦП сигнал начальной установки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по количеству общих признаков является способ синхронизации группы двух и более дельта-сигма АЦП, в которых синхронизация осуществляется периодическим сигналом [Data sheet ADS 1282 High -resolution Analog-To- Digital Converteer, Texas Instruments, p.23 Continuous - Sync Mode]. Схема для реализации этого способа синхронизации представлена на фиг.1.

В систему синхронизации входят генератор 1 периодических импульсов, формирователь 2 тактовых импульсов (CLK) и импульсов периодической синхронизации (SYNC), дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2,…3.n.

Выход генератора 1 соединяется с входом формирователя 2. Выход CLK формирователя 2 соединятся с входами CLK дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2, … 3.n. Выход SYNC формирователя 2 соединяется с входами SYNC дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2, … 3.n.

Все дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2 … 3.n должны быть установлены в режим периодической синхронизации. После поступления сигнала CLK все дельта-сигма АЦП группы начинают вырабатывать периодические сигналы готовности данных (DRDY), частота которых кратно меньше частоты сигнала CLK. Частота сигнала SYNC, который вырабатывает формирователь 2, равна или кратно меньше частоты сигналов DRDY. Все дельта-сигма АЦП группы, входящие в систему синхронизации, имеют одинаковую временную диаграмму. В этой временной диаграмме положения импульсов SYNC и DRDY жестко связаны. Первые после включения импульсы SYNC переводят дельта-сигма АЦП в режим синхронизации. Под действием сигнала SYNC все сигналы DRDY на соответствующих выходах дельта-сигма АЦП появляются одновременно, то есть все дельта-сигма АЦП группы 3.1, 3.2, … 3.n работают синхронно.

В дальнейшем, если сигналы SYNC попадают на отведенное им место во временной диаграмме дельта-сигма АЦП, то они не влияют на работу дельта-сигма АЦП по преобразованию входных аналоговых сигналов в цифровые выходные данные.

Если происходит сбой, и сигнал SYNC не попадает на отведенное ему место во временной диаграмме дельта-сигма АЦП, то под действием сигнала SYNC дельта-сигма АЦП переходит из рабочего режима в режим синхронизации. По окончании процесса синхронизации дельта-сигма АЦП переходит в рабочий режим, синхронизация восстанавливается, все дельта-сигма АЦП данной группы продолжают работать синхронно между собой. После сбоя синхронизация в группе восстанавливается автоматически.

Сигналы CLK и SYNC должны иметь крутые фронты и плоские вершины. Если сигналы CLK или SYNC будут искажаться, то синхронизация дельта-сигма АЦП будет нарушаться. Поэтому все дельта-сигма АЦП, входящие в такую систему синхронизации, должны быть расположены компактно и недалеко от генератора 1 и формирователя 2, чтобы избежать искажений, возникающих в длинных линиях связи.

Необходимо отметить, что все дельта-сигма АЦП, объединенные сигналами CLK и SYNC, синхронизируются между собой и не синхронизируются какими-либо внешними сигналами. Поэтому этот метод синхронизации неэффективен для создания больших синхронных систем сбора информации, где группы дельта-сигма АЦП удалены друг от друга.

Задачей изобретения является обеспечение возможности синхронизации нескольких групп дельта-сигма АЦП, расположенных на значительном расстоянии друг от друга и от синхронизирующей аппаратуры.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности синхронизировать низкочастотным сигналом дискретизации большое число компактных групп дельта-сигма АЦП, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, что позволит заменить в многоканальных синхронных системах сбора информации АЦП последовательного приближения на многоразрядные дельта-сигма АЦП, имеющие более широкий динамический диапазон и меньший уровень шумов, позволяющие существенно упростить фильтры преддискретизации.

Для решения поставленной задачи в систему для синхронизации дельта-сигма АЦП, допускающих синхронизацию периодическими сигналами SYNC, содержащую группу из не менее двух близко расположенных дельта-сигма АЦП, формирователь сигналов, вход которого соединен с генератором тактовых сигналов, а выход тактовой частоты и выход периодических сигналов синхронизации формирователя сигналов соединены с соответствующими входами всех дельта-сигма АЦП группы, введены новые признаки, а именно: при наличии в системе нескольких удаленных друг от друга групп дельта-сигма АЦП в нее введены последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр низких частот и источник внешней периодической синхронизации, генератор тактовых сигналов выполнен управляемым напряжением, и его вход соединен с выходом фильтра низких частот, при этом первый вход фазового детектора соединен с источником внешней периодической синхронизации, а второй вход - с выходом готовности данных одного из дельта-сигма АЦП каждой группы.

Введение новых блоков: фазовый детектор, фильтр низких частот и источник внешней периодической синхронизации, и выполнение генератора управляемым напряжением позволяет осуществить синхронизацию групп дельта-сигма АЦП внешним периодическим сигналом.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 приведена схема синхронизации дельта-сигма АЦП периодическим сигналом SYNC, реализованная в прототипе, на фиг.2 - схема синхронизации нескольких групп дельта-сигма АЦП внешним сигналом дискретизации.

Заявленная система содержит группы дельта-сигма АЦП Группа 7.1, Группа 7.2 … Группа 7.m. Входы тактовой частоты CLK всех дельта-сигма АЦП каждой группы соединены с выходом CLK формирователя 2 импульсов (ФИ) этой же группы. Входы периодической сигнализации SYNC всех дельта-сигма АЦП каждой группы соединены с выходом SYNC формирователя 2 этой же группы. Вход Ft формирователя 2 соединен с выходом генератора 1, управляемого напряжением. Выход сигнала готовности данных DRDY одного из дельта-сигма АЦП каждой группы соединен с одним входом фазового детектора (ФД) 4, на второй вход которого поступает внешний периодический сигнал дискретизации от источника 6 внешней периодической синхронизации (ИС). Выход детектора 4 через фильтр 5 низких частот (ФНЧ) соединен со входом управления генератора 1.

Все блоки выполнены по известным схемам [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники // М. Мир. - 1988].

С помощью предложенной системы синхронизация дельта-сигма АЦП внешним периодическим сигналом осуществляется следующим образом. После включения питания генератор 1 вырабатывает периодический сигнал Ft, который поступает на вход формирователя 2 импульсов. Формирователь 2 по известным алгоритмам вырабатывает периодический сигнал CLK со скважностью два и короткие периодические импульсы SYNC, длительность и период которых должны соответствовать временной диаграмме дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2 … 3.n Первый импульс SYNC переводит все дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2, 3.n в режим синхронизации. По окончании режима синхронизации все дельта-сигма АЦП данной группы одновременно начинают выставлять периодические сигналы DRDY. Это означает, что все дельта-сигма АЦП в данной группе работают синхронно относительно друг друга.

Сигнал DRDY с выхода дельта-сигма АЦП 3.n поступает на один вход фазового детектора 4, на второй вход которого поступает внешний периодический сигнал дискретизации Fs. Фазовый детектор 4 сравнивает частоту и фазу сигналов Fs и DRDY и вырабатывает выходной сигнал, который через ФНЧ 5 поступает на вход управления частотой управляемого генератора 1. ГУН 1, ФИ 2 дельта-сигма АЦП 3.n, ФД 4 и ФНЧ 5 образуют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), под действием которого частота сигнала DRDY с выхода DRDY дельта-сигма АЦП 3.n становится равной частоте внешнего сигнала дискретизации Fs. Остальные дельта-сигма АЦП 3.1, 3.2 и т.д. работают синхронно с дельта-сигма АЦП 3.n под действием периодической синхронизации сигналом SYNC.

В результате под действием системы периодической синхронизации и контура ФАПЧ, подстраивающего частоту сигналов готовности данных под внешний сигнал дискретизации, группа дельта-сигма АЦП синхронизируется внешним периодическим сигналом дискретизации Fs. Контур ФАПЧ малочувствителен к искажениям формы сигнала дискретизации и сглаживает джиттер сигнала дискретизации, возникающий при передаче на значительные расстояния. Сигналом дискретизации Fs можно синхронизировать несколько групп дельта-сигма АЦП 7.1, 7.2…7.m, удаленных друг от друга. Заявленный технический результат достигнут.

Изобретение относится к области гидроакустики, радиотехники и электротехники и может быть использовано для построения синхронных многоканальных систем аналого-цифрового преобразования. Технический результат заключается в обеспечении возможности синхронизации нескольких групп дельта-сигма АЦП, расположенных на значительном расстоянии друг от друга и от синхронизирующей аппаратуры. Для этого в систему синхронизации дельта-сигма АЦП, содержащую группу из не менее двух близко расположенных дельта-сигма АЦП, формирователь сигналов, вход которого соединен с генератором тактовых сигналов, а выход тактовой частоты формирователя сигналов и выход периодических сигналов синхронизации соединены с соответствующими входами всех дельта-сигма АЦП группы, при наличии нескольких удаленных друг от друга групп дельта-сигма АЦП введены последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр низких частот и источник внешней периодической синхронизации, генератор тактовых сигналов выполнен управляемым напряжением, и его вход соединен с выходом фильтра низких частот, при этом первый вход фазового детектора соединен с источником внешней периодической синхронизации, а второй вход - с выходом готовности данных одного из дельта-сигма АЦП каждой группы. 2 ил.

Система синхронизации дельта-сигма АЦП, содержащая группу из не менее двух близко расположенных дельта-сигма АЦП, формирователь сигналов, вход которого соединен с генератором тактовых сигналов, а выход тактовой частоты формирователя сигналов и выход периодических сигналов синхронизации соединены с соответствующими входами всех дельта-сигма АЦП группы, отличающаяся тем, что при наличии нескольких удаленных друг от друга групп дельта-сигма АЦП в нее введены последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр низких частот и источник внешней периодической синхронизации, генератор тактовых сигналов выполнен управляемым напряжением, и его вход соединен с выходом фильтра низких частот, при этом первый вход фазового детектора соединен с источником внешней периодической синхронизации, а второй вход - с выходом готовности данных одного из дельта-сигма АЦП каждой группы.