CTSD Precision ADCs. Part 5: Digital Data Interface Simplification with Asynchronous Sample Rate Conversion (ASRC

ПРЕЦИЗИОННЫЙ СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП СО СЛЕДЯЩЕЙ АРХИТЕКТУРОЙ. ЧАСТЬ 5: ОПТИМИЗАЦИЯ ЦИФРОВОГО ИНТЕРФЕЙСА ЗА СЧЕТ АСИНХРОННОЙ ВЫБОРКИ ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ *

Встатье рассмотрены простые способы взаимодействия прецизионных сигмадельта АЦП со следящей архитектурой с внешними процессорными устройствами обработки данных.

А. Кауле, Н. Рен, М. Анвекар

CTSD PRECISION ADCS. PART 5: DIGITAL DATA INTERFACE SIMPLIFICATION WITH ASYNCHRONOUS SAMPLE RATE CONVERSION (ASRC)

The simple, innovative ways of interfacing the CTSD Precision Аbstract –ADC data to the external digital host performing applicationrelated processing on this data are considered in the article.

A. Kawle, N. Ren, M. Anvekar

Скорость или частота выдачи преобразованных в цифровой код данных является важным параметром любого АЦП. Для разных применений предъявляются разные требования к этой частоте.

В настоящей статье представлена новая технология передачи преобразованных в цифровой код данных сигма-дельта АЦП со следящей архитектурой, позволяющая оптимизировать частоту передачи выходных данных в зависимости от требований к их обработке. АЦП кодирует входной аналоговый сигнал с частотой выборки, которая не обязательно должна быть синхронизирована с частотой передачи или выдачи данных через интерфейс во внешнее цифровое устройство. Для каждого приложения требуется своя частота выдачи данных через интерфейс преобразователя.

В статье рассмотрены общие требования к частоте выдачи данных для различных приложений, предложена новая технология, основанная на асинхронном методе формирования этой частоты, который может быть использован в АЦП любого типа. Это метод позволяет получить оптимальную частоту выдачи кода, при этом упростить проектирование цифрового интерфейса АЦП.

Требования к частоте выдачи кода. Чем больше количество отсчетов на выходе АЦП в единицу времени, тем точнее будет представление дискретизированного аналогового сигнала при цифровой обработке. Но чем выше частота отсчетов на выходе АЦП, тем больший объем данных поступает во внешнее устройство в единицу времени и тем сложнее реализация цифрового интерфейса, и больше его энергопотребление. Отсюда, исходя из требуемой точности, мощности рассеяния и сложности реализации интерфейса, а также с учетом требований к обработке цифровых данных, для каждого приложения может быть выбрана оптимальная частота отсчетов, с которой данные от АЦП поступают во внешнее устройство. Большинство требований к частоте отсчетов можно представить в следующем виде.

Частота дискретизации в АЦП по Найквисту. В приложениях с частотой дискретизации по Найквисту частота выборки и соответственно частота выдачи кода во внешнее устройство должна в два раза превышать максимальную частоту входного аналогового сигнала АЦП. Известным примером такого приложения является частота выборки аудиоданных, которая для высококачественных устройств воспроизведения должна составлять 44,1кГц, в то время как ширина полосы входного аудио сигнала не превышает 20 кГц, что является верхним пределом частоты сигнала, различаемого человеческим ухом.

Частота передискретизации АЦП. В некоторых приложениях, таких как частотно-гармонический анализ или анализ сигналов во временной области, требуемая частота выборки аналогового сигнала может быть в несколько раз выше частоты входного аналогового сигнала АЦП. Одним из примеров избыточной частоты дискретизации является анализ переходного сигнала во временной области

* Kawle A., Ren N., Anvekar M. CTSD Precision ADCs. Part 5: Digital Data Interface Simplification with Asynchronous Sample Rate Conversion (ASRC).Analog Dialog, Vol. 55, N3, September, 2021. www.analog.com. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова.

в среде распространения ударных волн, как показано на рис. 1. Если частота выборки для таких волн выбирается исходя из теоремы Найквиста, то практически невозможно с необходимой точностью восстановить, а значит и анализировать форму ударной волны. Поэтому, чем больше точек выборки сигнала поступит в устройство обработки данных, тем точнее будет восстановлена анализируемая ударная волна.

Переменная частота выборки АЦП. В некоторых приложениях, таких как когерентная выборка, требуется согласовать частоту выдачи данных с частотой входного аналогового сигнала. Мониторинг качества энергии в линии электропередачи является одним из таких примеров, в котором применяется когерентная выборка входных сигналов АЦП для оценки качества электроэнергии в соответствии требованиями стандарта IEC 61000-4-30, класс A. В соответствии с этими требованиями частота выборки должна быть согласована с дрейфом частоты напряжения в линии электропередачи. В этом приложении схема формирователя синхросигналов синтезирует частоту выдачи отсчетов, согласованную или кратную частоте дрейфа напряжения в линии электропередачи, как показано на рис. 2.

Частота выборки АЦП в многоканальных си-

стемах. В многоканальных системах сбора данных, которые одновременно обрабатывают множество разных аналоговых сигналов, частота выборки для каждого канала может быть разной. В этом случае используемые в системе многоканальные АЦП должны поддерживать свою частоту выборки для каждого канала, как показано на рис. 3.

Таким образом, требования к частоте выборки и частоте выдачи данных различны для конкретных применений АЦП, т.е. преобразователь должен иметь возможность поддерживать широкий диапазон как частоты выборки, так и частоты выдачи цифровых данных. На рис. 4 показан обобщенный цифровой интерфейс АЦП с Хост-машиной. Отметим, что в статье, не рассматриваются стандартные интерфейсы типа SPI или I2C.

АЦП производит выборку аналогового сигнала с частотой fsin, частота передачи выходных данных во внешнее устройство равна fodr, как показано на рис. 4. Частота выборки АЦП fsin, зависит от структуры АЦП. Частота передачи цифровых данных fodr зависит от требований к интерфейсу преобразователя. В большинстве применений fsin и fodr могут иметь разные значения. Следовательно, имеется возмож-

Рис. 1. Представление во временной области ударной волны, преобразованной по Найквисту (a) и с применением передискретизации (б) Рис. 2. АЦП с переменной частотой выборки, согласованной с частотой дрейфа в линии электропередачи

Рис. 3. Многоканальный АЦП с разной частотой выборки в каждом канале

Рис. 4. Обобщенная схема цифрового интерфейса АЦП

Рис. 5. Простой интерфейс АЦП с выборкой по Найквисту Рис. 6. Синхронизации многоканального поразрядного АЦП

Рис. 7. Увеличение шума в полосе полезного сигнала АЦП в зависимости от уменьшения частоты выборки АЦП

ность преобразования частоты выборки (дискретизации) fsin в частоту передачи выходных данных fodr.

Преобразование частоты выборки в АЦП по

Найквисту. В преобразователях с частотой выборки по Найквисту частота выборки fsin должна вдвое превышать максимальную частоту входного сигнала fin. Примером такого преобразователя является поразрядный АЦП, у которого частота выборки на входе и частота кода на выходе одинаковы. Это позволяет упростить реализацию интерфейса такого АЦП, как показано на рис. 5.

В поразрядных АЦП частоту передачи цифровых данных fodr легко масштабировать в зависимости от требований к применению преобразователя и ширины полосы аналогового входного сигнала. Также легко масштабировать и частоту выборки АЦП fsin. Преимуществом простой организации масштабирования является то, что при этом потребляемая мощность АЦП изменяется линейно в зависимости от частоты, кроме того, легко обеспечить синхронизацию работы преобразователя в многоканальном режиме. В одноканальном режиме синхронизация работы АЦП осуществляется с помощью одного ГТИ.

В многоканальных АЦП необходимо обеспечить синхронную выборку нескольких аналоговых входных сигналов и синхронно (со сменой входного канала) передавать цифровые данные для последующей цифровой обработки. Типичный пример синхронизации многоканального АЦП – это система мониторинга линии электропередачи, когда требуется синхронизовать выборку сигналов напряжения, тока и потребляемой мощности.

С помощью АЦП с выборкой по Найквисту, как показано на рис. 6, синхронизация в многоканальном режиме может быть легко обеспечена с помощью тактовых импульсов, формируемых Хост-машиной.

В преобразователях по Найквисту частоту выборки и частоту передачи цифровых данных, как ранее отмечалось, легко масштабировать. Масштабирование этих частот позволяет оптимизировать мощность потребления АЦП, но при этом шум в полосе пропускания АЦП может увеличиваться из-за эффекта наложения ложных спектров из высокочастотной области в низкочастотную область полезного сигнала в случае, если частота входного шума превышает частоту входного сигнала, деленную на два. Как показано на рис. 7, по мере уменьшения частоты выборки увеличивается шум в полосе полезного сигнала АЦП.

Для поразрядных АЦП выборка состоит из двух фаз, как показано на рис. 9,a. Первая фаза – это фаза выборки, когда запоминающая емкость УВХ на входе АЦП заряжается до величины входного сигнала, вторая фаза – это фаза преобразования, когда

УВХ переходит в режим хранения (т.е. запоминающая емкость зарядилась до величины входного аналогового сигнала), а АЦП кодирует напряжение на запоминающей емкости. Таким образом, ГТИ должен сформировать требуемые временные интервалы для организации работы АЦП по приведенному алгоритму.

Отрицательным свойством ГТИ является джиттер или дрожание фронтов тактовых импульсов, которое влияет на точность и производительность АЦП (рис. 8). Джиттер нормируется среднеквадратичным значением и подробно рассмотрен в ЭКиС № 4, 2021 в статье «Простые шаги для расчета дрожания (джиттера) частоты дискретизации изолированных прецизионных и быстродействующих систем сбора данных», авторы Л. Пакуланан, Д. Гарлитос.

Погрешность АЦП из-за дрожания тактовых импульсов можно количественно оценить как уменьшение отношения сигнал/шум (SNR)

где σj – среднеквадратичное значение джиттера.

Исходя из выражения (1), для обеспечения требуемого отношения SNRj необходимо либо ограничить полосу входного сигнала, либо применить дополнительные меры для уменьшения шума в цепи формирования импульсов синхронизации. Джиттер тактового сигнала является серьезной проблемой в многоканальных системах, рис. 9. Для его уменьшения применяют изоляцию и буферизацию в цепях формирования тактовых импульсов, что, как следствие, увеличивает сложность проектируемой системы.

(1)

Рис. 8. Погрешность выборки, вносимая джиттером импульсов выборки

Рис. 9. Ограничения, вызванные джиттером при выборке входного сигнала (a), применение цифровых изоляторов в многоканальном поразрядном АЦП (б)

а)

б)

Рассмотрим методы формирования и управления частотой выборки и частотой передачи данных в АЦП с избыточной дискретизацией или передискретизацией. На рис. 10,а показано преимущество по точности поразрядного АЦП с передискретизацией по сравнению с этим же АЦП с выборкой по Найквисту.

Другой тип АЦП, использующий передискретизацию, – это сигма-дельта АЦП. В этих преобразователях шум квантования Qe сдвигается в высокочастотную область, в которой ослабляется цифровым фильтром. Благодаря этому в полосе полезного сигнала уровень шума существенно ниже, как показано на рис. 10,б. Частота дискретизации сигмадельта АЦП равна OSR×fodr/2, где OSR – коэффициент передискретизации.

Интерфейс данных с передискретизацией на выходе такого АЦП перегружает Хост-машину большим количеством избыточных отсчетов. Более того, в некоторых случаях Хост-машина может не справляться с высокоскоростным приемом этих данных, увеличивая при этом свою мощность рассеяния. Следовательно, было бы оптимальным передавать только те данные (отсчеты), которые позволяют с требуемой точностью обрабатывать входной аналоговый сигнал в заданной полосе пропускания. Это означало бы, что скорость передаваемых цифровых данных может быть уменьшена, например, до частоты Найквиста (2×fin) или кратной ей частоты. С этой целью применяют метод прореживания цифровых отсчетов, в частном случае, метод децимации, с помощью которого поток данных на выходе преобразователя прореживается, например, в 2N раз, как показано на рис. 11, где число N может задаваться как программно, так и аппаратно.

Таким образом, используя децимацию выходных отсчетов АЦП, можно передавать выходные данные с более низкой скоростью практически без потери полезной информации.

АЦП с передискретизацией имеют частоту выборки fsin, во много раз превышающую эту частоту для АЦП с выборкой по Найквисту. Поэтому сигмадельта АЦП более чувствительны к джиттеру тактовых импульсов, чем, например, поразрядные АЦП с частотой выборки по Найквисту, как следует из выражения (1). Поэтому АЦП с передискретизацией, как правило, должны использовать цифровые изоляторы в цепи тактовых сигналов. Применение цифровых изоляторов, как отмечалось ранее, усложняет проектируемое устройство в целом.

В то же время, для более высокого разрешения при программировании частоты передачи данных fodr частота выборки может быть также перепрограммирована. Однако возможности такого похода ограничены. Обеспечение требований к синхронизации многоканальных сигма-дельта АЦП с дискретной выборкой – достаточно сложная задача. Для синхронизации работы нескольких сигма-дельта АЦП в многоканальном режиме в них предусмотрен дополнительный вывод SYNC_IN. В этом случае триггер, подключенный к выводу SYNC_IN, одновременно инициирует выборку всех входных аналоговых сигналов и установку в исходное состояние фильтров децимации.

По истечении времени установления фильтров цифровые данные всех АЦП синхронно поступают во внешнее устройство. Во время установки цифро-

а)

б)

Рис. 10. Частотный спектр поразрядного АЦП с передискретизацией (a), частотный спектр сигма-дельта АЦП (б) Рис. 11. Цифровой интерфейс с децимацией отсчетов на выходе сигма-дельта АЦП с дискретной выборкой входного сигнала (DTSD)

вых фильтров в исходное состояние преобразователи находятся в режиме прерывания, как показано на рис. 12. При этом предусмотрено, что последовательности импульсов MCLK и SYNC_IN всех АЦП должны быть синхронизированы. Обеспечение такой синхронизации при высокой частоте выборки с использованием цифровых изоляторов в каждом канале многоканального АЦП является достаточно сложной задачей. Одним из подходов к решению этой задачи является использование ФАПЧ для формирования последовательности тактовых импульсов для всех каналов многоканального АЦП.

В этом случае, когда на вывод SYNC_IN преобразователя поступает сигнал инициализации, ФАПЧ формирует сигнал синхронизации MCLK. Во время установления ФАПЧ частота MCLK подстраивается таким образом, чтобы обеспечить синхронизацию по фронту частоты выборки с частотой передачи данных (рис. 13).

Применение ФАПЧ для синхронизации АЦП с передискретизацией усложняет его схему, при этом увеличивается энергопотребление преобразователя в целом. Компания Analog Devices использует преобразованную частоту выборки для синхронизации АЦП с передискетизацией. Преимущество этого решения состоит в том, что частота прореживания потока выходных данных может быть выражена целым или дробным числом по отношению к частоте выборки fsin, что позволяет программно формировать частоту выходных данных fodr без применения дополнительных аппаратных узлов типа ФАПЧ. Такая технология синхронизации использована в сигма-дельта АЦП AD7770 и подробно рассмотрена в документации на этот преобразователь. Она позволяет избавиться от формирования синхроимпульсов путем масштабирования частоты выборки внешним устройством, например ФАПЧ, а синтезирует их из последовательности импульсов выборки, как показано на рис. 14.

Следует отметить, что организация синхронизации, привязанной к одной и той же тактовой последовательности MCLK для всех каналов многоканального преобразователя имеет ряд ограничений. Чувствительность характеристик АЦП к джиттеру тактовых импульсов выборки MCLK может бать уменьшена введением в цепь синхронизации изоляторов и фильтров. Кроме того, тактовые импульсы частоты выборки fsin MCLK и импульсы SYNC_IN синхронизированы между собой.

При такой синхронизации многоканального АЦП для того, чтобы привязать выборку входных сигналов в каждом канале АЦП к единому моменту времени, необходимо учитывать как задержки изоляторов, так и задержки, вызванные разной длиной проводников печатной платы, что достаточно сложно осуществить на практике вследствие неопределенности этих задержек. Поэтому общим недостатком рассмотренных методов синхронизации многоканальных АЦП является жесткая привязка частоты выдачи данных к частоте выборки входного сигнала.

Решением этой проблемы при организации ин-

Рис. 12. Синхронизация работы многоканального DTSD АЦП с применением прерывания

Рис. 13. Временные диаграммы сигналов синхронизации выборки MCLK с сигналом синхронизации передачи данных ADC DRDY в многоканальном DTSD АЦП с помощью ФАПЧ Рис. 14. Временная диаграмма синхронизации многоканального АЦП с использованием частоты выборки для формирования синхроимпульсов

терфейса цифровых данных в многоканальном АЦП было бы разделение частоты выборки MCLK и частоты передачи данных ODR. Такая технология уже освоена компанией Analog Devices и состоит в асинхронном преобразовании частоты выборки (дискретизации), что позволяет исключить зависимость частоты передачи данных от частоты выборки. Асинхронное преобразование частоты дискретизации (Asynchronous Sample Rate Conversion – ASRC) выполняет повторную выборку fsin в цифровой области и сопоставляет эти частоты с любой требуемой частотой передачи данных.

Технологию ASRC можно рассматривать как цифровой фильтр, обеспечивающий любое нецелочисленное прореживание выходного потока данных многоканального АЦП. Для оптимизации производительности и потребляемой мощности целесообразно, чтобы сначала выполнялось дробное прореживание, а затем децимация, как показано на рис. 15. Блок ASRC в составе АЦП сначала передискретизирует поток данных на выходе ядра преобразователя, а затем прореживает цифровой поток данных согласно выражению fsin/(N×fodr).

Частота формирования данных на выходе блока ASRC, рис. 15, в N раз больше требуемой частоты fodr. Поэтому фильтр-дециматор выполняет дополнительное прореживание потока данных в N раз. Отметим, что вместо исходной частоты выборки для реализации технологи ASRC может быть использован внешний источник тактовых сигналов.

Таким образом, технология ASRC позволяет устанавливать частоту выдачи данных fodr с целым или дробным отношением относительно частоты выборки. В результате этого требования к частоте fodr и соответственно к частоте синхронизации обеспечиваются только цифровым интерфейсом и не зависят от частоты выборки входного сигнала АЦП. Преимущество технологии ASRC заключается в упрощении проектирования интерфейса цифровых данных. При этом частота выборки fsin в этом случае может быть выбрана, исходя из требований к характеристикам АЦП (включая требования к джиттеру импульсов этой частоты), в то время как частота выдачи данных fodr может быть синтезирована на основе требований к интерфейсу цифровых данных. Поскольку технология ASRC дает возможность разделить тактовые частоты fsin и fodr, это дает определенную свободу выбора режима работы цифрового интерфейса.

АЦП с внутренним блоком ASRC может быть настроен на удовлетворение требований к его параметрам, а цифровой интерфейс независимо от архитектуры ядра АЦП может быть настроен на удовлетворение требований внешнего приемника данных. Таким образом, технология ASRC упрощает требования к синхронизации многоканального АЦП. Теперь, вместо одного тактового генератора (как показано на рис. 16,а) генераторы сигнала выборки могут быть использованы в каждом канале, как показано на рис. 16,б. Сигнал с частотой выдачи кода может поддерживаться независимым генератором. Поскольку системный тактовый генератор (system clock) необходим лишь для стробирования цифровых данных, к джиттеру сигналов этого генератора не предъявляются столь же жесткие требования, как к джиттеру сигналов выборки. В этом случае снижаются требования к средствам изоляции этих сигналов.

Использование технологи асинхронной синхронизации (ASRC) в сигма-дельта АЦП со сле-

дящей архитектурой (АЦП CTSD). Ядро АЦП со следящей архитектурой (CTSD) работает в режиме передискретизации. Ограничения АЦП с CTSD-архитектурой состоят в том, что частота выборки в нем не масштабируется в отличие от АЦП с DTSDархитектурой или поразрядного АЦП. Если в АЦП с CTSD-архитектурой использовать один из традиционных методов синхронизации, то частота fodr всегда будет функцией фиксированной частоты выборки, что ограничивает возможности такого преобразователя. Кроме того, в АЦП CTSD сигналы вы-

а)

б)

Рис. 15. Реализация технологии асинхронного преобразования частоты дискретизации программным путем (а) и с встроенным вычислителем (б)

а)

б) Рис. 16. Структурные схемы синхронизации многоканальных АЦП методом синхронной (a) и асинхронной выборки (б)

борки должны иметь сверхмалый джиттер для обеспечения оптимальной работы. Например, при точности ±100 ppm среднеквадратичное значение джиттера сигналов частоты выборки в АЦП CTSD не должно превышать 10 пс, что достаточно сложно обеспечить на практике. Технология ASRC с разделением частоты выборки и частоты выдачи данных хорошо адаптируется к CTSD-архитектуре АЦП. Источник сигналов выборки MCLK может быть локальным и находиться в непосредственной близости к ИМС АЦП, чтобы исключить распространение тактовых импульсов по длинным дорожкам на печатной плате и, как следствие, увеличить джиттер сигналов выборки. Таким образом, объединение технологии ASRC с CTSD-архитектурой АЦП приводит к появлению инновационного устройства, сочетающего преимущества архитектуры преобразователя с оптимизацией процесса передачи цифровых данных в устройство обработки.

ВЫВОДЫ

Асинхронная технология управления работой АЦП ASRC дает возможность формировать независимо частоту выборки входного сигнала и частоту передачи выходных данных во внешнее устройство. Это позволяет снизить требования к изоляторам в цепях синхронизации таких АЦП и адаптировать цифровые интерфейсы к требованиям внешних устройств. В общем случае технология ASRC может бать использована в АЦП любой структуры, при этом использование данной технологи в АЦП с CTSD-архитектурой упрощает проектирование сигнальных цепей как на входе, так и на выходе преобразователя, в том числе в многоканальных системах сбора и обработки данных.