Система для синхронизации аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTERS SYNCHRONIZATION SYSTEM WITH OVERSAMPLING FREQUENCY

Изобретение относится к области радиотехники и электротехники и может быть использовано для построения синхронных многоканальных систем аналого-цифрового преобразования при использовании аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации (АЦП-ИЧД), применяемых в гидроакустической аппаратуре.
Использование АЦП-ИЧД по сравнению с АЦП других типов позволяет увеличить динамический диапазон, уменьшить нелинейные искажения, увеличить количество разрядов, уменьшить шаг квантования, снижает требования к фильтрам преддискретизации. А синхронная работа АЦП в многоканальной системе аналого-цифрового преобразования обеспечивает когерентность преобразования принимаемых сигналов, что важно при разработке многоканальных гидроакустических систем.
Сбои синхронизации приводят к потере информации о фазе сигнала и, как следствие, потере информации о местоположении и идентификации искомого объекта.
Известен способ синхронизации АЦП-ИЧД, основанный на подаче сигнала тактовой частоты на несколько АЦП-ИЧД, находящихся на одном кристалле, например, AD7768. [8-/4-Channel, 24-Bit, Simultaneous Sampling ADCs with Power Scaling, 110.8 kHz BW Data Sheet AD7768/AD7768-4].
Данный способ заключается в размещении на одном кристалле в одном корпусе восьми АЦП-ИЧД, объединенных общим сигналом тактовой частоты и общим сигналом начальной установки, что позволяет синхронно опрашивать восемь каналов. Когда количество каналов измеряется десятками и сотнями этот способ реализовать невозможно.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является система синхронизации АЦП-ИЧД, описанная в патенте РФ №2 535 481 на «Способ синхронизации аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации».
Эта следящая система для синхронизации аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации (АЦП-ИЧД), содержит опорный генератор и узлы следящей синхронизации по числу АЦП-ИЧД, у которых один вход соединен с выходом готовности данных соответствующего АЦП-ИЧД а второй вход - с выходом опорного генератора, узел следящей синхронизации вырабатывает сигнал, восстанавливающий синхронную работу соответствующего АЦП-ИЧД, если она нарушилась.
Кроме того в эту систему входят генератор импульсов начальной установки и генератор тактовых импульсов, сигналы от которых поступают на все АЦП-ИЧД
Недостатком устройства - прототипа является то, что при большом удалении АЦП-ИЧД от генератора тактовых импульсов, от генератора импульсов начальной установки, от опорного генератора, как это имеет место, например, в системах сейсморазведки, в гибких протяженных многоэлементных буксируемых гидроакустических антеннах, необходимо передавать на большие расстояния импульсы малой длительности с короткими фронтами для чего необходимы три высокочастотные электрические линии передачи с малыми потерями и малыми искажениями. Недостатками высокочастотных линий передачи является то, что они имеют большие габариты и подвержены влиянию электромагнитных помех, что приводит к увеличению габаритов системы сбора и передачи информации, увеличению джиттера (дрожания фронтов) тактовых импульсов и снижению параметров АЦП.
Кроме того, недостатком устройства прототипа является то, что он не позволяет вводить контролируемую задержку срабатывания какого-либо АЦП-ИЧД относительно сигнала синхронизации.
Задачей изобретения является увеличение надежности системы синхронизации, увеличение ее помехозащищенности за счет исключения высокочастотных логических элементов, упрощение алгоритма работы, компенсация ошибок синхронизации, вызываемых задержкой распространения сигнала синхронизации на большое расстояние.
Технический результат изобретения заключается в ликвидации длинных линий для передачи высокочастотных тактовых сигналов, а также для передачи импульсов начальной установки, снижении требований по скорости нарастания и спада фронтов сигнала синхронизации, уменьшении джиттера тактовых сигналов АЦП-ИЧД, обеспечении возможности введения контролируемой задержки срабатывания любого АЦП-ИЧД относительно сигнала синхронизации.
Для достижения заявленного технического результата в систему для синхронизации не менее двух аналого-цифровых преобразователей с избыточной частотой дискретизации (АЦП-ИЧД), содержащую опорный генератор и узлы следящей синхронизации по числу АЦП-ИЧД, у которых один вход соединен с выходом готовности данных соответствующего АЦП-ИЧД а второй вход - с выходом опорного генератора, введены новые признаки, а именно: опорный генератор выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, каждый узел следящей синхронизации выполнен в виде фазового детектора, выход которого соединен с первым входом суммирующего операционного усилителя, охваченного обратной связью, имеющего передаточную характеристику фильтра нижних частот, второй вход которого соединен с источником постоянного регулируемого напряжения, выход суммирующего операционного усилителя через инвертор соединен со входом управляемого кварцевого генератора, выход которого соединен со входом тактовой частоты соответствующего АЦП-ИЧД.
Высокочастотные сигналы тактовой частоты, необходимые для работы АЦП-ИЧД, вырабатываются управляемым кварцевым генератором, расположенным в непосредственной близости от соответствующего АЦП-ИЧД. Поэтому минимизируется джиттер тактового сигнала и отпадает необходимость передачи на значительное расстояние высокочастотного сигнала тактовой частоты от общего для всех АЦП-ИЧД генератора тактовой частоты.
Кроме того, использование низкочастотного синусоидального сигнала для синхронизации АЦП-ИЧД вместо короткого импульсного сигнала той же частоты, позволяет использовать более тонкую линию передачи с существенно более низкой полосой пропускания. В предлагаемой системе синхронизации в отличие от прототипа нет сигнала начальной установки всех АЦП-ИЧД и нет линии для его передачи, так как синхронизация каждого АЦП-ИЧД по сигналу готовности данных происходит за счет изменения частоты соответствующего управляемого кварцевого генератора.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена блок-схема заявленной системы устройства.
Система (фиг. 1) содержит опорный генератор 1, аналого-цифровые преобразователи с избыточной частотой дискретизации АЦП-ИЧД 2.1, 2.2…2.N, узлы следящей синхронизации (фазовые детекторы) 3.1, 3.2, … 3.N, источники постоянного регулируемого напряжения 4.1, 4.2…4.N, суммирующие операционные усилители 5.1, 5.2…5.N, инвертирующие усилители 6.1, 6.2….N, генераторы управляемые напряжением 7.1.7.2…7.N.
Выход (Синхр) опорного генератора 1 соединен со входом (Синхр) сигнала синхронизации каждого узла следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N. Второй вход сигнала готовности данных  узла следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N соединен с выходом готовности данных  соответствующего АЦП-ИЧД 2.1, 2.2…2.N. Выход Vвых каждого узла следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N соединен с первым входом соответствующего суммирующего усилителя 5.1, 5.2…5.N, охваченного обратной связью ОС. Второй вход суммирующего усилителя соединен с источником постоянного регулируемого напряжения 4.1, 4.2…4.N. Выход каждого суммирующего усилителя соединен со входом соответствующего инвертора 6.1, 6.2…6.N. Выход каждого инвертора соединен со входом соответствующего генератора управляемого напряжением 7.1, 7.2…7.N. Выход каждого генератора управляемого напряжением соединен со входом тактовой частоты Clk соответствующего АЦП 2.1, 2.2…2.N.
Система синхронизации работает следующим образом. После подачи питания начинают работать все генераторы тактовых сигналов: опорный генератор 1,-управляемые генераторы 7.1, 7.2, 7.N, вырабатывающие тактовые импульсы Clk для соответствующих АЦП-ИЧД. Центральные частоты всех этих генераторов близки между собой, а выходные частоты всех управляемых генераторов на время переходного процесса не равны друг другу. На узлы следящей синхронизации (Фазовые детекторы) 3.1, 3.2, 3.N сразу после подачи питания поступает только синусоидальный сигнал Синхр от опорного генератора 1. После окончания времени установления цифровых фильтров, входящих в АЦП-ИЧД 2.1, 2.2…2.N, на узлы следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N от соответствующих АЦП-ИЧД начинают поступать импульсы готовности данных ,  сигнализирующие о готовности выходных данных АЦП-ИЧД.
Частота и фаза импульсов  связаны с моментами дискретизации входных данных АЦП-ИЧД.
Узлы следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N (ФД) вырабатывают выходные сигналы Vвых соответствующие отклонению сигналов  по частоте и по фазе от опорного сигнала Синхр. Сигналы Vвых узлов следящей синхронизации 3.1, 3.2…3.N через операционные усилители 5.1, 5.2…5.N и инверторы 6.1, 6.2…6.N поступают на вход соответствующего ГУН 7.1, 7.2…7.N, выходной сигнал которого поступает на вход тактовой частоты Clk (третье написание) соответствующего АЦП-ИЧД 2.1, 2.2…2.N. Таким образом замыкается контур обратной связи по частоте и фазе сигнала готовности данных .В результате частота сигналов готовности данных  всех АЦП-ИЧД после окончания переходного процесса становится равной частоте опорного сигнала Синхр.
Операционные усилители ОУ 5.1, 5.2…5.N имеют передаточную характеристику фильтра нижних частот за счет местной обратной связи ОС. Параметры фильтра нижних частот должны обеспечивать сглаживание пульсаций напряжения на входе каждого ГУН 7.1, 7.2…7.N и устойчивость контура обратной связи по частоте и по фазе сигналов
Для управления сдвигом фазы между опорным сигналом Синхр и сигналами  на вход каждого ОУ 5.1, 5.2…5.N через резистор R2.1, R2.2… R2.N от источников постоянного регулируемого напряжения 4.1, 4.2…4.N поступает соответствующее напряжение Уф, в результате чего сдвиг фазы принимает заданное для каждого канала значение.
Рассмотрим работу одного канала синхронизации АЦП-ИЧД. Узел следящей синхронизации 3.1 сравнивает частоту и фазу опорного сигнала Синхр с частотой и фазой сигнала готовности данных  на выходе АЦП-ИЧД 2.1.
В зависимости от величины рассогласования частоты и фазы указанных сигналов Синхр и  узел следящей синхронизации 3.1 вырабатывает напряжение Vвых, которое через операционный усилитель ОУ 5.1 и инвертор 6.1 поступает на вход ГУН 7.1., вырабатывающий сигнал Clk, поступающий на вход Clk АЦП-ИЧД 2.1. В результате частота тактового сигнала Clk меняется в зависимости от соотношения частоты и фазы опорного сигнала Синхр и сигнала
Частота сигнала готовности данных  на выходе  АЦП-ИЧД 2.1 в заданное целое число раз меньше частоты тактовых сигналов Clk на входе Clk АЦП-ИЧД 2.1. Поэтому изменение частоты сигнала Clk на входе АЦП-ИЧД 2.1 приводит к изменению частоты сигнала  на его выходе.
Узел следящей синхронизации 3.1 (фазовый детектор ФД), операционный усилитель ОУ 5.1, инвертор 6.1, генератор управляемый напряжением ГУН 7.1, АЦП-ИЧД 2.1 образуют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в результате работы которого частота сигнала  становится равной частоте опорного сигнала Синхр.
Так как синхронизация сигналов Синхр и  осуществляется с помощью контура ФАПЧ из схемы синхронизации исключается генератор импульсов начальной установки АЦП-ИЧД.
Опорный сигнал Синхр представляет собой не последовательность импульсов, а синусоиду, поэтому удается заменить длинную высокочастотную линию связи для передачи опорного сигнала на тонкую низкочастотную.
Генератор сигнала Clk (ГУН 7.1) расположен близко от соответствующего ему АЦП-ИЧД 2.1, поэтому удается исключить длинную высокочастотную линию связи для передачи общего тактового сигнала Clk от одного генератора на все АЦП-ИЧД. При этом минимизируется дрожание фронтов (джиттер) сигнала Clk, что необходимо для нормальной работы АЦП-ИЧД.
В устройстве прототипе отсутствует возможность регулировать сдвиг фазы между опорным сигналом и сигналом готовности данных.
В предлагаемой системе синхронизации для управления сдвигом фазы между опорным сигналом Синхр и сигналом  служит источник постоянного регулируемого напряжения Уф 4.1, напряжение от которого через резистор R2.1 поступает на вход ОУ 5.1 и складывается с выходным напряжением Vвых узла следящей синхронизации 3.1 в результате чего регулируется сдвиг фазы между сигналом синхронизации Синхр и сигналом готовности данных  поступающим от АЦП-ИЧД 2.1.