СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ИЗБЫТОЧНОЙ ЧАСТОТОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ
METHOD OF SYNCHRONISING ADCS WITH OVERSAMPLING

Изобретение относится к области гидроакустики, 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 (в частности дельта-сигма АЦП).
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, см., например, Рыжиков А.В, Барсуков Ю.В. «Системы и средства обработки сигналов в гидроакустике». Учеб. Пособие. Санкт-Петербург: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 г., стр.63.
Сбои синхронизации приводят к потере информации о фазе сигнала и, как следствие, к 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, подробно изложенный в Burr-Brown Products from Texas Instruments ADS1278 http:/focus.ti.com/docs/folders/print/ads1278.html.
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. Для того чтобы увеличить число одновременно опрашиваемых каналов при данном способе синхронизации, необходимо помещать на одном кристалле большее количество АЦП-ИЧД, что нерационально, когда количество каналов измеряется десятками и сотнями. Поэтому для построения синхронных многоканальных систем аналого-цифрового преобразования данный способ является нежелательным.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является способ синхронизации АЦП-ИЧД, предлагаемый фирмой Analog Devices для своих АЦП-ИЧД, изложенный, в www.analog.com 2003 Analog Devices, Inc, 16-Bit, 195 kSPS, CMOS, Σ-Δ ADC, AD7722, p 18, a также в www.analog.com 2007 Analog Devices, Inc, 24-Bit, 8,8 mW, 109 dB, 128/64/32 kSPS ADCS, AD7766, p.17.
Способ содержит следующие операции:
- подачу на входы тактовой частоты всех АЦП-ИЧД периодического сигнала тактовой частоты с выхода генератора тактовых импульсов;
- подачу на входы начальной установки всех АЦП-ИЧД импульсов начальной установки с выхода генератора начальной установки;
- выработку АЦП-ИЧД сигнала готовности данных по завершении процесса аналого-цифрового преобразования;
- принятие решения о синхронности работы многоканальной системы АЦП-ИЧД.
Многоканальная система сбора информации на основе АЦП-ИЧД работает следующим образом. После подачи питания все АЦП-ИЧД получают сигнал от генератора тактовых импульсов и начинают работать. После окончания переходных процессов в аналоговых и цифровых узлах АЦП-ИЧД каждый АЦП-ИЧД начинает вырабатывать выходные данные с одинаковой для всех АЦП-ИЧД частотой дискретизации, но при этом невозможно гарантировать синхронную работу всех АЦП-ИЧД.
Для синхронизации всех АЦП-ИЧД на них одновременно подается сигнал начальной установки, который устанавливает в исходное состояние цифровые фильтры всех АЦП-ИЧД. После окончания времени установления цифровых фильтров все АЦП-ИЧД начинают работать синхронно.
Чтобы выяснить насколько синхронно работают все АЦП-ИЧД необходимо использовать сигналы готовности данных, которые появляются на соответствующем выходе АЦП-ИЧД периодически после окончания очередного цикла преобразования. При синхронной работе сигналы готовности данных появляются одновременно на всех АЦП-ИЧД.
Если под воздействием электромагнитных помех произойдет сбой в работе какого - либо АЦП-ИЧД, то этот АЦП-ИЧД будет в дальнейшем выдавать выходные данные с той же частотой дискретизации, но не одновременно с другими АЦП-ИЧД. То есть синхронность работы системы сбора данных будет потеряна.
Для восстановления синхронизации необходимо вмешательство оператора, который с помощью осциллографа должен выявить потерю синхронизации и восстановить ее с помощью импульса начальной установки, который должен быть подан на все АЦП-ИЧД. Работа всей системы будет прервана на время установления цифровых фильтров, входящих в состав АЦП-ИЧД.
На практике при большом количестве каналов такая система контроля и восстановления синхронизации не работоспособна, так как оператор не может постоянно контролировать несколько десятков, сотен или тысяч каналов.
Недостатками способа-прототипа являются необходимость вмешательства оператора для принятия решения о синхронности работы многоканальной системы АЦП и отсутствие возможности автоматического восстановления синхронизации в случае нарушения синхронной работы в силу каких-либо причин.
Задачей изобретения является автоматизация процесса восстановления синхронизации в случае ее нарушения по какой-либо причине.
Для решения поставленной задачи в известный способ синхронизации АЦП-ИЧД, содержащий подачу на входы начальной установки всех АЦП-ИЧД импульсов начальной установки, подачу на входы тактовой частоты всех АЦП-ИЧД периодического сигнала тактовой частоты, выработку АЦП-ИЧД сигнала готовности данных введены новые признаки, а именно: каждый АЦП-ИЧД снабжают узлом следящей синхронизации, импульсы готовности данных от каждого АЦП подают на один вход узла следящей синхронизации, соединенного с этим АЦП, а на второй вход всех узлов следящей синхронизации подают периодические импульсы контроля синхронизации, выработанные дополнительным опорным генератором, периодические импульсы контроля синхронизации по времени поступления в каждом узле следящей синхронизации сравнивают с импульсами готовности данных и, в случае превышения установленного предела рассогласования, в узле следящей синхронизации, в котором произошло превышения установленного предела рассогласования, вырабатывают импульс начальной установки, который через схему ИЛИ подают на вход начальной установки АЦП-ИЧД, соединенного с этим узлом следящей синхронизации.
Техническим результатом от использования изобретения является автоматизация процесса восстановления синхронизации АЦП-ИЧД путем выработки узлом следящей синхронизации импульса начальной установки, который через схему ИЛИ подают на вход начальной установки связанного с ним АЦП-ИЧД в случае рассогласования во времени импульсов готовности данных этого АЦП-ИЧД с периодическими импульсами опорного генератора синхронизации всех АЦП-ИЧД, входящих в систему сбора данных.
Поясним достижение указанного результата.
Известно, что при синхронной работе АЦП-ИЧД сигналы готовности данных поступают синхронно и частота их появления равна частоте дискретизации выходных данных. Если принять такой режим работы за эталон и с помощью дополнительного опорного генератора вырабатывать аналогичную последовательность импульсов, то можно сравнить реальные импульсы готовности данных, поступающие с АЦП-ИЧД, с эталонными. На основе анализа времени поступления импульсов обеих последовательностей узел следящей синхронизации вырабатывает импульс начальной установки, подающийся на вход начальной установки связанного с ним АЦП-ИЧД. который восстанавливает синхронную работу этого АЦП-ИЧД со всеми остальными.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего этот способ, а на фиг. 2 приведена временная диаграмма работы многоканальной системы сбора данных с использованием АЦП-ИЧД.
Устройство содержит генератор 1 импульсов начальной установки, генератор 2 тактовых импульсов, дополнительный опорный генератор 3, схемы ИЛИ 4.1,4.2…4.N, АЦП-ИЧД 5.1,5.2…5.N, узлы 6.1,6.2…6.N следящей синхронизации.
Выход генератора 1 соединен через схемы ИЛИ 4.1,4.2…4.N со входами АЦП-ИЧД 5.1,5.2…5.N с которыми также соединен выход генератора 2. Выход генератора 3 соединен со входами узлов следящей синхронизации 6.1,6.2…6.N выходы которых через схемы ИЛИ 4.1,4.2…4.N соединены с АЦП-ИЧД 5.1,5.2…5.N.
В настоящее время практически все цифровые схемы реализуются на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) либо на базе микропроцессоров, которые производят требуемую обработку сигнала. Эти вопросы рассмотрены, например, в книге ДА. Коломов, Р.А. Мяльк, А.А. Зобенко, А.С. Филлипов «Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II b Quartus II. Краткое описание и самоучитель». Москва, Издательство Радиософт, 2002 г., с 11 либо Айфичер Эммануил С., Джервис Барри У. «Цифровая обработка сигналов: практический подход», 2-е издание. Москва, Издательский дом "Вильямс", 2004 г., с. 784.
С помощью описанного выше устройства предложенный способ реализуется следующим образом.
От генератора 1 начальной установки через схемы ИЛИ 4.1,4.2…4.N на АЦП-ИЧД 5.1,5.2…5.N поступают импульсы начальной установки (момент t1 на фиг.2), от генератора 2 тактовых импульсов - периодический сигнал тактовой частоты (TST). По завершении процесса аналого-цифрового преобразования каждый АЦП-ИЧД 5.1,5.2…5.N выдает сигнал готовности данных (момент t2 на фиг.2), который совместно с периодическим сигналом контроля синхронизации, от дополнительного опорного генератора, поступает на входы узлов следящей синхронизации 6.1,6.2…6.N. В случае синхронной работы АЦП-ИЧД (промежуток t2-t3 на фиг.2) узлы следящей синхронизации не вмешиваются в работу системы, но в случае превышения установленного предела рассогласования (момент t4 на фиг.2) узел следящей синхронизации, связанный со сбившимся АЦП-ИЧД, вырабатывает импульс начальной установки (момент t5 на фиг.2), поступающий на выбившийся из синхронизма АЦП-ИЧД через соответствующую ему схему ИЛИ 4.1,4.2…4.N. Происходит перезапуск сбившегося АЦП-ИЧД (t5-t6 на фиг.2), и синхронность работы восстанавливается (момент t7 на фиг.2).
Таким образом, применение узлов следящей синхронизации обеспечивает автоматическое восстановление синхронной работы АЦП с избыточной частотой дискретизации, что необходимо для обеспечения когерентности преобразования принимаемых сигналов. Кроме того, использование данного способа позволяет снизить чувствительность многоканальной системы аналого-цифрового преобразования к помехам по цепям синхронизации.