CN101106364B - 数字控制滤波器系统和滤波方法 - Google Patents

数字控制滤波器系统和滤波方法 Download PDF

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Abstract

一种滤波器系统和滤波方法，该滤波器系统包括：减法器，其在第一输入处接收模拟输入信号和参考电压，在第二输入处接收通过反馈环路供应的模拟反馈信号，并输出模拟输入信号和模拟反馈信号之间的差值；以及低通滤波器，其输出通过比较减法器的输出信号和参考电压所得的数字信号，接着累计数字信号的工作循环并计算跟随误差量，接着将基于所计算的跟随误差量的、经过低通滤波的信号转换为模拟信号，以向模拟反馈信号(即减法器的第二输入)提供模拟信号。

Description

数字控制滤波器系统和滤波方法
相关申请的交叉引用
将2006年7月12日向韩国知识产权局提交的、题目为“DigitalControlled Filter System and Filtering Method”的韩国专利申请第10-2006-0065470号通过引用整体合并于此。
技术领域
本发明涉及一种滤波器系统。更具体地，本发明涉及一种可被数字地控制(即不控制电阻器或电容器)的滤波器系统。
背景技术
可使用电容器组成模拟低通滤波器(LPF)和模拟高通滤波器(HPF)。因而，可将电容值和电阻值改变i，以调节这样的滤波器的截止频率(fc)。因此，模拟LPF和模拟HPF在改变fc和集成度(integration)方面具有劣势。
此外，由于电容器的电平累计(level integral)可产生偏置(offset)。另外，为了操作LPF或HPF可能需要较大的驱动能力。因此，模拟LPF和模拟HPF可能消耗大量电流。而且，控制无源器件(例如，组成滤波器的电阻器或电容器)以响应迅速变化的输入信号可能是困难的。
已使用了利用可变电阻器、多个开关电容器和/或外部调节的电容器的滤波器来提高可用fc的范围。然而，在这些结构中仍然存在上面记录的、关于模拟滤波器的所有其它伴随劣势。
为了提高滤波器的集成度，可通过单个焊点(pad)来调节电容器。为了有助于补偿偏置，可将输出信号转换为数字信号，去除DC分量，然后转换回模拟信号。
然而，这些滤波器仍具有以下问题。
第一，可能在输出中出现在使用无源器件进行减法期间产生的运算放大器偏置。
第二，由于电阻器和电容器为无源器件，芯片集成负担过重。另外，如果需要更高的fc，用于选择无源器件(例如电阻器和电容器)的开关阵列的复杂度增加。
第三，难以应用各种fc。也就是说，由于使用无源器件，只能使用有限的fc。
第四，可能无法对输入信号中的迅速变化进行适当响应。也就是说，电容器甚至可能对异常输入信号起作用。因此，可能出现错误，可能不能对输入信号的迅速变化进行自适应响应。
第五，必须使用外部焊点，即引脚(pin)。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种滤波器系统和一种滤波方法，其基本上克服了由于相关技术的局限性和劣势所引起的一个或多个问题。
因此，本发明的实施例的特征是提供可被数字地控制的滤波器系统和滤波方法。
因此，本发明的实施例的另一个特征是提供可减少或防止偏置的滤波器系统和滤波方法。
因此，本发明的实施例的特征是提供允许实现高度集成的滤波器系统和滤波方法。
因此，本发明的实施例的特征是提供自适应截止频率的滤波器系统和滤波方法。
因此，本发明的实施例的特征是提供避免使用外部焊点的滤波器系统和滤波方法。
本发明的上面的和其它的特征和优势的至少一个可通过提供一种滤波器系统来实现，该滤波器系统包括：减法器，其被适配以在该减法器的第一输入处接收模拟输入信号和参考电压，在该减法器的第二输入处接收通过反馈环路供应的模拟反馈信号，并被适配以输出所述减法器的第一输入端的模拟输入信号和参考电压与所述减法器的第二输入端的模拟反馈信号之间的差值；以及低通滤波器，其被适配以输出通过比较减法器的输出信号和参考电压所得的数字信号，从而累计(integrate)数字信号的工作负荷(duty)并计算跟随误差(following error)量，并被适配以将基于所计算的跟随误差量的、经过低通滤波的信号转换为要向减法器的第二输入输出的模拟反馈信号，其中所述低通滤波器包括：比较单元，其被适配以在该比较单元的第一输入处接收所述减法器的输出信号，并在该比较单元的第二输入处接收所述参考电压，并被适配以输出所述数字信号；工作负荷计数器，其被适配以对所述比较单元的输出的数字信号的工作负荷进行计数；锁存单元，其被适配以锁存所述工作负荷计数器的输出；控制单元，其被适配以控制所述工作负荷计数器和所述锁存单元；跟随误差量产生单元，其被适配以通过将锁存的工作负荷误差量与目标值相比较而计算并产生所述跟随误差量；脉动移除和DC增益控制单元，其被适配以移除所述跟随误差中的脉动分量并控制DC增益；以及数模转换单元，其将所述脉动移除和DC增益控制单元的输出信号转换为所述模拟反馈信号。
减法器和低通滤波器可组成高通滤波器，其中，所述减法器被适配以在所述减法器的第一输入处接收包括AC分量、DC分量和所述参考电压的输入信号，并在所述减法器的第二输入处接收通过反馈环路低通滤波的DC信号，所述减法器从所述第一输入处接收的输入信号中减去第二输入处接收的DC信号以输出经过高通滤波的信号。
减法器可被适配以在该减法器的第一输入处接收输入信号和在该减法器的第二输入处接收DC信号，从而输出包括AC分量和参考电压的差值信号，该输入信号包括AC分量、DC分量和参考电压，该DC信号为模拟反馈信号。
脉动移除和DC增益控制单元可包括被适配以移除所述跟随误差中的脉动分量的误差低通滤波器、以及被适配以控制DC增益以保持输出的余量积累滤波器(residual accumulation filter)。该误差低通滤波器可包括：第一低通滤波器，其被适配以对从跟随误差量产生单元输出的工作负荷误差和目标工作负荷之间的差值进行低通滤波；第一加法器，其被适配以将第一低通滤波器的输出与反馈信号相加；以及第一反馈环路，其被适配以将反馈信号提供给第一加法器，其中该第一反馈环路包括第一导纳(admittance)和第二低通滤波器，其被适配以对流经第一导纳的信号进行低通滤波。
余量积累滤波器可包括：第二加法器，用于将误差低通滤波器的输出与反馈信号相加；以及第二反馈环路，用于将反馈信号提供给第二加法器，其中第二反馈环路包括第三低通滤波器、第三加法器、第二导纳、以及第四低通滤波器，其中所述第二导纳和第四低通滤波器组成辅助反馈环路，所述第三低通滤波器对所述第二加法器的输出进行低通滤波，所述第二加法器将所述辅助反馈环路的输出和第三低通滤波器的输出进行相加。
本发明的上面的和其它的特征和优势中的至少一个可通过提供以下方法来实现，该方法包括：在减法器的第一输入端接收模拟输入信号和参考电压作为减法器的一个输入，并且在该减法器的第二输入端接收经过反馈环路的模拟反馈信号作为减法器的另一个输入，以在减法器的输出获得所述减法器的第一输入端的模拟输入信号和参考电压与所述减法器的第二输入端的模拟反馈信号之间的差值；通过利用比较单元将所计算的差值与所述参考电压进行比较而输出数字信号；利用工作负荷计数器累计所述数字信号的工作循环(duty cycle)；利用锁存单元锁存所述工作负荷计数器的输出；利用跟随误差量产生单元通过将锁存的工作负荷误差量与目标值相比较从而计算跟随误差量；利用脉动移除和DC增益控制单元来移除所述跟随误差中的脉动分量并控制DC增益；以及利用数模转换单元将所述脉动移除和DC增益控制单元的输出信号转换为模拟信号以提供所述模拟反馈信号，其中，利用控制单元来控制所述工作负荷计数器和所述锁存单元的操作。
模拟输入信号可包括AC分量和DC分量，模拟反馈信号可以是DC信号，该差值可包括参考电压和AC分量。
附图说明
通过参照附图，详细描述本发明的示例实施例，本发明的上述和其它特征和优势将会变得更加显而易见。附图中：
图1图示根据本发明的实施例的、被数字地控制的滤波器系统的方框图；
图2图示图1所示的控制单元、工作负荷计数器、以及锁存单元的详细方框图；以及
图3图示图1所示的跟随误差量产生单元与脉动移除和DC增益控制单元的详细方框图。
具体实施方式
下面将参照其中示出本发明的示例实施例的附图更充分地描述本发明。然而，本发明可以以不同的形式实现，而不应被解释为限于这里提出的实施例。此外，提供这些实施例，使得本公开是彻底和完整的，并将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。通篇相同的参考标号代表相同的元件。
根据本发明的实施例的滤波器系统可以包括减法器和可被数字地控制的低通滤波器。也就是说，与利用电容器、电阻和焊点的电平累计的传统方法不同，根据本发明的实施例的低通滤波器可由可通过累计工作循环(dutycycle)而被数字地控制的低通滤波器实现。
通过将模拟部件数字化，可容易地实现片上系统(SOC)。因此，可减少或防止当准备SOC时、由于模拟部件不能与数字部件成比例地减少而产生的问题。因此，可以减少生产成本，并且可以一致地分布各部件的特性。
另外，由于外部部件减少，可减少所使用的引脚的数目，并且由于容易控制各部件的特性，可实现对于迅速变化的输入信号的好得多的响应。可产生各种截止频率以对应于数字滤波器系数，因此，期望的截止频率的设置是容易的。
此外，可通过改变目标值来将偏置加载到滤波器输出，并且，由于数字控制，滤波器输出可不受输入条件影响。也就是说，即使在输入信号中有噪声时，由于通过比较信号和使用二进制信号来形成低通滤波器，数字地控制的低通滤波器不像传统的低通滤波器那样受噪声的影响。
图1图示根据本发明的实施例的、被数字地控制的滤波器系统的方框图。参照图1，滤波器系统可包括低通滤波器(LPF)51和减法器50。
减法器50可在同相“+”输入端子处接收输入信号IN，其包括AC分量、DC分量、以及参考电压REF，可在反相“-”输入端子处接收已经通过反馈环路低通滤波的DC信号。减法器50可从输入信号IN中减去DC信号，并且可以输出经过高通滤波的信号，即包括AC分量和参考电压REF(在参考电压REF上加载AC分量)的信号。
LPF 51可具有数字地控制的滤波器结构。也就是说，与由电容器、电阻器和焊点组成的、且进行电平累计的传统LPF不同，LPF 51累计工作循环(dutycycle)以被数字地控制。
LPF 51可将经过高通滤波的信号(即在参考电压REF上加载AC分量的信号)与参考电压REF相比较，估计工作负荷，计算误差，并将DC信号输出为模拟信号，利用该DC信号可控制DC增益。
下面将详细描述LPF 51的构造。
LPF 51可包括比较单元510、控制单元511、工作负荷计数器512、锁存单元513、跟随误差量产生单元514、脉动移除和DC增益控制单元515、以及数模转换单元(DAC)516。
比较单元510可在同相“+”输入端子处接收经过高通滤波的信号“AC+REF”，在反相“-”输入端子处接收参考电压REF，并可将经过高通滤波的信号和参考电压REF进行比较，以输出二进制数，即“0”或“1”。工作负荷计数器512对比较单元510的输出的工作负荷进行计数。锁存单元513可锁存工作负荷计数器512的输出。控制单元511可控制工作负荷计数器512和锁存单元513。跟随误差量产生单元514可通过将锁存的工作负荷误差量与目标值进行比较来产生跟随误差量。脉动移除和DC增益控制单元515可移除跟随误差中的脉动分量，并可使用累计值控制DC增益。DAC 516可将所计算的误差累计值转换为模拟信号。
控制单元511可通过产生用于在特定的时间段内锁存工作负荷计数器512的输出的锁存时钟信号来控制锁存单元513，并可以产生用于复位工作负荷计数器512的复位信号。脉动移除和DC增益控制单元515可包括用于移除脉动的误差低通滤波器和用于控制DC增益的余量积累滤波器。
图2图示图1所示的控制单元511、工作负荷计数器512、以及锁存单元513的详细方框图。
控制单元511可接收参考时钟RCLK和更新周期(period)数目UPN，并可输出使能信号。可将该使能信号提供给锁存单元513和D触发器(D-F/F)517。D触发器517可通过接收使能信号和参考时钟RCLK而工作。D触发器517的输出可通过反相器518a而被输出，并可复位控制工作负荷计数器512。
比较单元510的输出可流经两个反相器518b和518c。仅流经反相器518b的输出可在工作负荷计数器512的下计数中使用，流经反相器518b和反相器518c两者的输出可在工作负荷计数器512的上计数中使用。工作负荷计数器512可响应参考时钟RCLK而工作。
图3图示图1所示的跟随误差量产生单元514与脉动移除和DC增益控制单元515的详细方框图。参照图3，脉动移除和DC增益控制单元515可包括用于移除脉动的误差低通滤波器515a和余量积累滤波器515b。
误差低通滤波器515a可包括低通滤波器519、加法器520以及加法器520的反馈环路。低通滤波器519可对从跟随误差量产生单元514计算并输出的工作负荷误差和目标工作负荷之间的差值进行低通滤波。加法器520可将低通滤波器519的输出和来自反馈环路的反馈信号相加。反馈环路可包括导纳522和用于对流经导纳522的信号进行低通滤波的低通滤波器521。
余量积累滤波器515b可包括加法器523和加法器523的反馈环路。加法器523可将误差低通滤波器515a的输出和来自反馈环路的反馈信号相加。反馈环路可包括低通滤波器527、加法器526、导纳524、以及低通滤波器525，其中导纳524和低通滤波器525可组成辅助反馈环路。低通滤波器527可对来自加法器523的输出进行低通滤波。加法器526可将低通滤波器527的输出和来自辅助反馈环路的反馈信号相加。
下面将参照图1至图3描述滤波器系统的详细操作。
从减法器50输出的模拟信号(经过高通滤波的信号)可在比较单元510的同相“+”输入端子处输入，接着与在比较单元510的反相“-”输入端子处输入的参考电压REF相比较，接着作为二进制信号(即“0”或“1”)输出。
这样的二进制信号可由工作负荷计数器512进行上/下计数。此时，当从初始值“0”上计数时，基于参考时钟RCKL计数“+1”，而当下计数时，根据有符号的计数方法计数“-1”。当工作负荷计数器512处于有符号的模式、工作负荷计数器512是16位计数器时，“+”的最大值为包括符号位的“16’h7fff”，“-”的最大值为16’h8000”。
更新周期信号可由控制单元511提供，锁存单元513可锁存更新周期信号。例如，当时钟为100MHz且每1MHz产生一个更新锁存信号时，可基于输入信号IN的中心执行50个上计数和50个下计数。
当周期性地收到工作负荷计数产生的信号，以从目标信号中减去该信号，接着被数字地低通滤波，并接着被转换为模拟信号时，可反馈输入信号IN以将其高通滤波为期望的、输出信号的电压。因此，可改变由低通滤波器51形成的反馈环路的值。因此，只有AC分量(即排除DC分量)可被作为输入信号IN(减法器50的输出)而输出。
误差低通滤波器515a可计算工作负荷误差的平均值以确定响应时间。另外，误差低通滤波器515a可被用来移除脉动。余量积累滤波器515b可被用来保持输出值。
脉动移除和DC增益控制单元515的传输特性可由下面的公式1给出。
H(Z)＝(C0/(1-C1Z-1))/(1.C2/(1-(C3Z-1)))                      (1)
其中C0、C1、C2和C3为系数。
下面，将使用实际的示例来描述用于组成数字滤波器的脉动移除和DC增益控制单元515的输入/输出特性。
当误差低通滤波器515a的增益是A，余量积累滤波器515b的增益是B，输出是Y时，则Y＝A×工作负荷误差量+B×Y。换言之，Y-BY＝A×工作负荷误差量。重新整理，该方程变为Y＝(A/(1-B))×工作负荷误差量。
当将极点频率设置为1000Hz时，直到100Hz增益A为“1”(0dB)，直到100Hz增益B为“1”(0dB)，从0到100Hz环路特性从无穷大的增益减少到“-20dB/dec”，并在1000Hz减少到“-40dB/dec”。
由于在DC域中直到100Hz，增益B为“1”，输出“Y＝(1/(1-1))×误差”变为“Y＝∞增益×误差”。因此，当实际误差值接近“0”时，增益值是无穷大的。
余量积累滤波器515b可确定DC偏移响应时间，误差低通滤波器可确定实际跟随频率的AC响应时间。
如上所述，数字地控制的低通滤波器可通过累计工作循环来实现。根据本发明的实施例的这样的数字地控制的低通滤波器可提供以下优势。
第一，电路结构可以是简单的，这是由于可用数字部件代替模拟部件。另外，可减小电路的尺寸和生产成本，可更容易地实现SOC。
第二，由于数字处理，可减少或消除由噪声、放大器偏置等引起的问题。
第三，通过以数字部件代替模拟部件，可容易地准备SOC，可降低生产成本，可提高低通滤波器的质量。
第四，可降低功耗。
第五，由于不需要使用内部或外部的电容器，可减少引脚或外部部件的数目。
第六，由于偏置不再引起副作用，所以不需要调节偏置。
第七，当使用数字地控制的低通滤波器将DC电压施加到高通滤波器的输出时，DC电压可变化以设置目标电压。
第八，通过数字地处理模拟低通滤波器，可容易地改变模拟低通滤波器的极点频率，并可精确地实现模拟低通滤波器的极点频率，而不存在任何偏移。
第九，通过控制低通滤波器的值，可快速响应迅速变化的输入信号，该低通滤波器处于用于数字地实现高通滤波器的反馈环路形式中。
已在这里公开了本发明的示例实施例，虽然采用特定的术语，但是这些特定的术语应该只能被解释为一般的、描述性的含义，而不是用于限制的目的。因此，本领域普通技术人员将理解：在不偏离如所附权利要求书中所提出的本发明的精神和范围的情况下，可做出各种形式上和细节上的变化。

Claims (8)

1.一种滤波器系统，包括：
减法器，其被适配以在该减法器的第一输入处接收模拟输入信号和参考电压，在该减法器的第二输入处接收通过反馈环路供应的模拟反馈信号，并被适配以输出所述减法器的第一输入端的模拟输入信号和参考电压与所述减法器的第二输入端的模拟反馈信号之间的差值；以及
低通滤波器，其被适配以通过比较所述减法器的输出信号和所述参考电压而输出数字信号，从而累计该数字信号的工作负荷并计算跟随误差量，并被适配以将基于所计算的跟随误差量的、经过低通滤波的信号转换为要向所述减法器的第二输入输出的所述模拟反馈信号，
其中所述低通滤波器包括：
比较单元，其被适配以在该比较单元的第一输入处接收所述减法器的输出信号，并在该比较单元的第二输入处接收所述参考电压，并被适配以输出所述数字信号；
工作负荷计数器，其被适配以对所述比较单元的输出的数字信号的工作负荷进行计数；
锁存单元，其被适配以锁存所述工作负荷计数器的输出；
控制单元，其被适配以控制所述工作负荷计数器和所述锁存单元；
跟随误差量产生单元，其被适配以通过将锁存的工作负荷误差量与目标值相比较而计算并产生所述跟随误差量；
脉动移除和DC增益控制单元，其被适配以移除所述跟随误差中的脉动分量并控制DC增益；以及
数模转换单元，其将所述脉动移除和DC增益控制单元的输出信号转换为所述模拟反馈信号。
2.如权利要求1所述的滤波器系统，其中所述减法器和所述低通滤波器组成高通滤波器，其中，所述减法器被适配以在所述减法器的第一输入处接收包括AC分量、DC分量和所述参考电压的输入信号，并在所述减法器的第二输入处接收通过反馈环路低通滤波的DC信号，所述减法器从所述第一输入处接收的输入信号中减去第二输入处接收的DC信号以输出经过高通滤波的信号。
3.如权利要求1所述的滤波器系统，其中所述减法器被适配以在所述减法器的第一输入处接收包括AC分量、DC分量和所述参考电压的输入信号，并在所述减法器的第二输入处接收作为所述模拟反馈信号的DC信号，从而输出包括所述AC分量和所述参考电压的差值信号。
4.如权利要求1所述的滤波器系统，其中所述控制单元被适配以产生用于在特定的时间段内锁存所述工作负荷计数器的输出的锁存时钟信号，并产生用于复位所述工作负荷计数器的复位信号。
5.如权利要求1所述的滤波器系统，其中所述脉动移除和DC增益控制单元包括：
误差低通滤波器，其被适配以移除所述跟随误差中的脉动分量；以及
余量积累滤波器，其被适配以控制DC增益以保持输出值，
其中所述误差低通滤波器包括：
第一低通滤波器，其被适配以对从所述跟随误差量产生单元输出的工作负荷误差和目标工作负荷之间的差值进行低通滤波；
第一加法器，其被适配以将所述第一低通滤波器的输出与反馈信号相加；以及
第一反馈环路，其被适配以将所述反馈信号提供给所述第一加法器，
其中所述第一反馈环路包括第一导纳和第二低通滤波器，所述第二低通滤波器被适配以对流经所述第一导纳的信号进行低通滤波。
6.如权利要求5所述的滤波器系统，其中所述余量积累滤波器可包括：
第二加法器，用于将所述误差低通滤波器的输出与反馈信号相加；以及
第二反馈环路，用于将所述反馈信号提供给所述第二加法器，
其中所述第二反馈环路包括第三低通滤波器、第三加法器、第二导纳、以及第四低通滤波器，其中所述第二导纳和第四低通滤波器组成辅助反馈环路，所述第三低通滤波器对所述第二加法器的输出进行低通滤波，所述第二加法器将所述辅助反馈环路的输出和第三低通滤波器的输出进行相加。
7.一种滤波方法，包括：
在减法器的第一输入端接收模拟输入信号和参考电压作为减法器的一个输入，并且在该减法器的第二输入端接收经过反馈环路的模拟反馈信号作为减法器的另一个输入，以在减法器的输出获得所述减法器的第一输入端的模拟输入信号和参考电压与所述减法器的第二输入端的模拟反馈信号之间的差值；
通过利用比较单元将所计算的差值与所述参考电压进行比较而输出数字信号；
利用工作负荷计数器累计所述数字信号的工作循环；
利用锁存单元锁存所述工作负荷计数器的输出；
利用跟随误差量产生单元通过将锁存的工作负荷误差量与目标值相比较从而计算跟随误差量；
利用脉动移除和DC增益控制单元来移除所述跟随误差中的脉动分量并控制DC增益；以及
利用数模转换单元将所述脉动移除和DC增益控制单元的输出信号转换为模拟信号以提供所述模拟反馈信号，
其中，利用控制单元来控制所述工作负荷计数器和所述锁存单元的操作。
8.如权利要求7所述的滤波方法，其中所述模拟输入信号包括AC分量和DC分量，所述模拟反馈信号是DC信号，所述差值包括所述参考电压和所述AC分量。
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