CN103580647A - 一种滤波器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤波器结构，包括数字积分器、第一降采样模块、第二降采样模块、数字微分器、减法器、绝对值输出器、比较器和输出选择器，其中，所述第一降采样模块与数字积分器连接，所述第二降采样模块与第一降采样模块并联连接，所述数字微分器与第一降采样模块和第二降采样模块连接，所述减法器与数字微分器连接，所述绝对值输出器与减法器连接，所述比较器与绝对值输出器连接，所述输出选择器与比较器连接，同时与所述数字微分器连接。本发明提供的滤波器结构提高了滤波器的工作效率，加快了响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种滤波器结构。
背景技术
Sigma delta模拟数字转换器由于具有高精度，低噪声，对工艺非理想性不敏感等优势，在利用数字补偿的传感器信号调理电路中得到了非常广泛的应用，但是Sigma delta模拟数字转换器的输出需要经过滤波器滤除被调制到高频的量化噪声，从而降低输出信号的噪声。滤波器是数字通信领域中常用的功能电路，能够有效滤除特定频率的频点或该频点以外的频率，减少或消除谐波对电力系统的影响。
图1是现有技术中的M阶降采样率为N的滤波器结构图，如图1所示，现有技术中的滤波器结构包括M个数字积分器（在图1中所述级联连接的数字积分器的数目为3个），降采样率N的降采样模块和M个数字微分器（在图1中所述级联连接的数字微分器的数目为3个），对Sigma delta模拟数字转换器来说，从信号输入到最终信号输出的时间为M*N+1个时钟周期，一般为了获得低噪声，降采样率N都很高，因此传统滤波器的延迟很大，然而太长的延迟会对系统的工作有很大的影响，例如：当现有技术中的滤波器应用于空调的控制系统时，太长的延迟会导致控制环路不稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种滤波器结构，来优化滤波器的性能，加快滤波器对输入信号的响应时间。
本发明实施例提供的滤波器结构，包括
数字积分器，用于对输入的模拟信号进行积分运算；
第一降采样模块，与所述数字积分器连接，用于对所述数字积分器输出的信号进行降采样；
第二降采样模块，与所述第一降采样模块并联连接，用于对所述数字积分器输出的信号进行降采样，其中，所述第二降采样模块的降采样率小于所述第一降采样模块的降采样率；
数字微分器，与所述第一降采样模块和所述第二降采样模块连接，用于对第一降采样模块输出的信号和第二降采样模块输出的信号进行微分运算，并输出与第一降采样模块输出的信号对应的第一输出信号和与第二降采样模块输出的信号对应的第二输出信号；
减法器，与所述数字微分器连接，用于对所述第一输出信号和第二输出信号进行减法运算；
绝对值输出器，与所述减法器连接，用于对所述减法器输出的结果取绝对值；
比较器，与所述绝对值输出器连接，用于将绝对值输出器输出的结果与预设阈值比较；
输出选择器，与所述比较器连接，同时与所述数字微分器连接，用于当所述绝对值输出器输出的结果大于预设阈值时，选择所述第二输出信号作为输出信号；当所述绝对值输出器输出的结果小于预设阈值时，选择所述第一输出信号作为输出信号。
进一步地，所述数字微分器包括第一微分单元和第二微分单元。
进一步地，所述第一微分单元与所述第一降采样模块连接，用于对所述第一降采样模块输出的信号进行微分运算，所述第二微分单元与所述第二降采样模块连接，用于对所述第二降采样模块输出的信号进行微分运算。
进一步地，所述数字积分器为至少两个级联连接的数字积分器。
进一步地，所述数字微分器为至少两个级联连接的数字微分器。
进一步地，所述数字微分器包括：
第一延迟单元，与所述第一降采样模块连接，用于对所述第一降采样模块输出的信号进行延迟，从而输出第一输出延迟信号；
第二延迟单元，与所述第二降采样模块连接，用于对所述第二降采样模块输出的信号进行延迟，从而输出第二输出延迟信号；
多路选择单元，与所述第一延迟单元和第二延迟单元连接，同时与所述第一降采样模块和第二降采样模块连接，用于对第一降采样模块输出的信号和第一输出延迟信号以及第二降采样模块输出的信号和第二输出延迟信号按照预设规则进行选择；
减法复用单元，与所述多路选择单元连接，用于对所述多路选择单元输出的信号进行复用；
反向多路选择单元，与所述减法复用单元连接，用于将所述减法复用单元输出的信号解复用，从而得到所述第一输出信号和所述第二输出信号。
进一步地，所述滤波器结构还包括延迟模块，连接于所述数字积分器和第一降采样模块之间，用于延迟第一降采样模块输出的信号。
进一步地，所述第一降采样模块的时钟周期比所述第二降采样模块的时钟周期延迟整数个时钟周期。
本发明实施例提供的滤波器结构，通过数字积分器对输入信号进行积分运算，通过并联连接的第一降采样模块和第二降采样模块对数字积分器的输出信号进行降采样，通过减法器对数字微分器输出的信号相减，通过比较器对绝对值输出器输出的结果与预设阈值比较，通过输出选择器对最终输出的信号进行选择，由此，提高了滤波器的工作效率，加快了滤波器的响应速度，降低了输出噪声。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1是现有技术中的M阶降采样率为N的滤波器结构图；
图2是根据本发明第一实施例的滤波器结构图；
图3是根据本发明第二实施例的滤波器结构图；
图4是根据本发明第二实施例的第一降采样模块和第二降采样模块的时钟延迟示意图；
图5是根据本发明第二实施例的滤波器与现有技术的滤波器的响应速度的对比示意图；
图6是根据本发明第二实施例的滤波器的输出结构的局部放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
本发明实施例提供的滤波器结构，可以应用于传感器的模数转换器中，其中，所述传感器包括但不限制于，例如：压力传感器、温度传感器、流量传感器和图像传感器等，实现时可以通过集成电路的硬件来实现，例如：可以通过现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，简称FPGA）、单片机或个人计算机（personal computer，简称PC机）来实现。
在图2中示出了本发明的第一实施例。
图2是根据本发明第一实施例的滤波器结构图，如图2所示，所述滤波器结构包括数字积分器11、第一降采样模块12、第二降采样模块13、数字微分器14、减法器15、绝对值输出器16、比较器17和输出选择器18。
其中，所述数字积分器11用于对输入信号进行积分运算，所述数字积分器11包括至少两个级联连接的数字积分器，所述级联连接的数字积分器的个数与所述滤波器的阶数相对应，当所述滤波器为M阶滤波器时，所述级联数字积分器的个数为M；所述第一降采样模块12与所述数字积分器11连接，用于对所述数字积分器11输出的信号进行降采样；所述第二降采样模块13与所述第一降采样模块12并联连接，用于对所述数字积分器11输出的信号进行降采样；所述数字微分器14与所述第一降采样模块12和所述第二降采样模块13连接，用于对第一降采样模块12输出的信号和第二降采样模块13输出的信号进行微分运算，并输出与第一降采样模块12输出的信号对应的第一输出信号和与第二降采样模块13输出的信号对应的第二输出信号；所述数字微分器14包括至少两个级联连接的数字微分器，所述级联连接的数字微分器的数目与滤波器的阶数相同，当所述滤波器为M阶滤波器时，所述级联数字微分器的个数为M；所述减法器15与所述数字微分器14连接，用于对所述第一输出信号和第二输出信号进行减法运算；所述绝对值输出器16与所述减法器15连接，用于对所述减法器15输出的结果取绝对值；所述绝对值输出器16的电路可以由精密检波电路和加法器构成的电路来实现，所述比较器17与所述绝对值输出器16连接，用于将绝对值输出器16输出的结果与预设阈值比较；所述输出选择器18与所述比较器17连接，同时与所述数字微分器14连接，用于当所述绝对值输出器16输出的结果大于预设阈值时，选择所述第二输出信号作为最终输出信号；当所述绝对值输出器16输出的结果小于预设阈值时，选择所述第一输出信号作为最终输出信号。
在本实施例的一个优选实施例中，所述数字微分器14包括第一微分单元141和第二微分单元142。其中，所述第一微分单元141与所述第一降采样模块12连接，用于对所述第一降采样模块12输出的信号进行微分运算，所述第二微分单元142与所述第二降采样模块13连接，用于对所述第二降采样模块13输出的信号进行微分运算。
在本实施例中，输入信号经过数字积分器11之后，分别用两个不同的降采样率为N1和N2的降采样模块对数字积分器11的输出信号进行抽取，其中，所述第一降采样模块12的降采样率N1大于第二将采样模块13的降采样率N2，然后对这两个不同降采样模块的输出的信号做级联的微分，得到第一降采样模块12所对应的第一输出信号O1和第二降采样模块13所对应的第二输出信号O2；所述第一输出信号和第二输出信号经过绝对值输出器16后，和预设的阈值N0比较，当绝对值输出器16输出的结果|O1-O2|>N0大于预设阈值时，说明模数转换器的输入有比较大的变化，所述输出选择器18选择第二输出信号作为输出信号；当所述绝对值输出器16输出的结果|O1-O2|<N0小于预设阈值时，说明模数转换器的输入变化很小，所述输出选择器选择第一输出信号作为输出信号。
本发明实施例提供的滤波器结构，通过对输入信号进行不同频率的降采样处理，使得滤波器的响应速度加快，从而提高了滤波器的工作效率、降低输出噪声。
在图3中示出了本发明的第二实施例。
图3是根据本发明第二实施例的滤波器结构图，如图3所示。所述滤波器结构包括数字积分器21、第一降采样模块22、第二降采样模块23、数字微分器24、减法器25、绝对值输出器26、比较器27和输出选择器28。
其中，所述数字积分器21用于对输入信号进行积分运算，所述数字积分器21的个数与所述滤波器的阶数相对应，当所述滤波器为M阶滤波器时，所述数字积分器的个数为M；所述第一降采样模块21与所述数字积分器21连接，用于对所述数字积分器21输出的信号进行降采样；所述第二降采样模块23与所述第一降采样模块22并联连接，用于对所述数字积分器21输出的信号进行降采样；所述数字微分器24与所述第一降采样模块22和所述第二降采样模块23连接，用于对第一降采样模块22输出的信号和第二降采样模块23输出的信号进行微分运算，并输出与第一降采样模块22输出的信号对应的第一输出信号和与第二降采样模块23输出的信号对应的第二输出信号；当所述滤波器为M阶滤波器时，所述数字微分器的个数为M；所述减法器25与所述数字微分器24连接，用于对所述第一输出信号和第二输出信号进行减法运算；所述绝对值输出器26与所述减法器25连接，用于对所述减法器25输出的结果取绝对值；所述绝对值输出器26的电路可以由精密检波电路和加法器构成的电路来实现，所述比较器27与所述绝对值输出器26连接，用于将绝对值输出器26输出的结果与预设阈值比较；所述输出选择器28与所述比较器27连接，同时与所述级联数字微分器24连接，用于当所述绝对值输出器26输出的结果大于预设阈值时，选择所述第二输出信号作为最终输出信号；当所述绝对值输出器26输出的结果小于预设阈值时，选择所述第一输出信号作为最终输出信号。
在本实施例中，所述数字微分器24包括第一延迟单元241、第二延迟单元242、多路选择单元243、减法复用单元244、和反向多路选择单元245。
所述第一延迟单元241与所述第一降采样模块22连接，用于对所述第一降采样模块22输出的信号进行延迟，从而输出第一输出延迟信号，所述第二寄存单元242与所述第二降采样模块23连接，用于对所述第二降采样模块23输出的信号进行延迟，从而输出第二输出延迟信号，所述多路选择单元243与所述第一延迟单元241和第二延迟单元242连接，同时与所述第一降采样模块22和第二降采样模块23连接，用于对第一降采样模块22输出的信号和第一输出延迟信号以及第二降采样模块23输出的信号和第二输出延迟信号按照预设规则进行选择，所述减法复用单元244与所述多路选择单元243连接，用于对所述多路选择单元输出的信号进行复用，所述反向多路选择单元245与所述减法复用单元244连接，用于将所述减法复用单元244输出的信号解复用，从而得到所述第一输出信号和所述第二输出信号。
在本实施例的一个优选实施例中，所述滤波器结构还包括延迟模块29，连接于所述积分21和第一降采样模块22之间，用于对第一降采样模块22输出的信号进行延迟。
在本实施例的优选实施例中，所述第一降采样模块22的降采样率N1大于第二降采样模块23的降采样率N2，所述第一降采样模块22的时钟周期比所述第二降采样模块23的时钟周期延迟整数个时钟周期，即数字积分器21的输出在第一降采样模块22所在的第一通路上被延迟k个Ck时钟周期，其中，所述Ck为模数转换器的时钟。如图4所示，图4是根据本发明第二实施例的第一降采样模块和第二降采样模块的时钟延迟示意图。第一采样模块22的降采样率N1的时钟周期比第二降采样模块23的降采样率N2的时钟周期延迟k个Ck时钟周期，这样做相当于对第一降采样模块22所在的信号通路增加了k个Ck时钟周期的延迟，而不会影响输出结果的正确性，如果第一降采样模块22的时钟周期是第二降采样模块23的时钟周期的整数倍，则第一降采样模块22的时钟周期的上升沿会一直比第二降采样模块23的时钟周期的上升沿延迟整数个时钟周期，因此在第一降采样模块22和第二降采样模块23所在的信号通路上，数字微分器24中的减法复用单元244不会同时操作，此时数字微分器24中的减法单元可以复用，因此，减少了滤波器的硬件开销，同时加快了滤波器的响应速度。
如图5所示，图5是根据本发明第二实施例的滤波器与现有技术的滤波器的响应速度的对比示意图。在图5中，模数转换器的阶数为二阶，所述滤波器的阶数为三阶，第一降采样模块22的降采样率为512，第二降采样模块23的降采样率为64，所述预设阈值为0.01。从图5中可以看出，本发明实施例提供的滤波器比传统滤波器的响应速度快了很多。
图6是根据本发明第二实施例的滤波器的输出结构的局部放大示意图，如图6所示，当在模数转换器中输入阶跃跳变信号后，本发明实施例提供的滤波器使用第二降采样模块23输出的信号作为最终输出，因此具有较快的响应速度，但是由于第二降采样模块23的降采样率N2小于第一降采样模块22的降采样率N1，因此将与第二将采样模块23对应的第二输出信号作为最终输出信号时，此时滤波器的带宽比较宽，输出信号的噪声比较大；当第一降采样模块22输出的信号逐渐稳定后，本发明实施例提供的滤波器使用第一降采样模块22对应的第一输出信号作为最终输出，此时滤波器具有较窄的带宽，输出信号的噪声低。
本实施例提供的滤波器结构，通过对数字微分器中的减法单元进行复用，减少了滤波器的硬件开销，同时加快了响应速度，提高了滤波器的工作效率。
本发明实施例提供的滤波器结构，通过数字积分器对输入信号进行积分运算，通过不同降采样率的将采样模块对信号进行降采样处理，通过数字微分器对不同降采样模块的输出信号进行降采样，通过减法器对不同通路的输出信号进行相减，通过绝对值模块对减法器的输出结果取绝对值，通过比较器将减法器的输出结果与预设阈值对比，从而决定最终输出的信号，此外，通过在数字微分器中对减法器进行复用，减小了滤波器的硬件开销，加快了滤波器的响应速度，降低输出噪声，使得滤波器的工作效率提高。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种滤波器结构，其特征在于，包括
数字积分器，用于对输入的模拟信号进行积分运算；
第一降采样模块，与所述数字积分器连接，用于对所述数字积分器输出的信号进行降采样；
第二降采样模块，与所述第一降采样模块并联连接，用于对所述数字积分器输出的信号进行降采样，其中，所述第二降采样模块的降采样率小于所述第一降采样模块的降采样率；
数字微分器，与所述第一降采样模块和所述第二降采样模块连接，用于对第一降采样模块输出的信号和第二降采样模块输出的信号进行微分运算，并输出与第一降采样模块输出的信号对应的第一输出信号和与第二降采样模块输出的信号对应的第二输出信号；
减法器，与所述数字微分器连接，用于对所述第一输出信号和第二输出信号进行减法运算；
绝对值输出器，与所述减法器连接，用于对所述减法器输出的结果取绝对值；
比较器，与所述绝对值输出器连接，用于将绝对值输出器输出的结果与预设阈值比较；
输出选择器，与所述比较器连接，同时与所述数字微分器连接，用于当所述绝对值输出器输出的结果大于预设阈值时，选择所述第二输出信号作为输出信号；当所述绝对值输出器输出的结果小于预设阈值时，选择所述第一输出信号作为输出信号。
2.根据权利要求1所述的滤波器结构，其特征在于，所述数字微分器包括第一微分单元和第二微分单元。
3.根据权利要求2所述的滤波器结构，其特征在于，所述第一微分单元与所述第一降采样模块连接，用于对所述第一降采样模块输出的信号进行微分运算，所述第二微分单元与所述第二降采样模块连接，用于对所述第二降采样模块输出的信号进行微分运算。
4.根据权利要求1所述的滤波器结构，其特征在于，所述数字积分器为至少两个级联连接的数字积分器。
5.根据权利要求2所述的滤波器结构，其特征在于，所述数字微分器为至少两个级联连接的数字微分器。
6.根据权利要求1所述的滤波器结构，其特征在于，所述数字微分器包括：
第一延迟单元，与所述第一降采样模块连接，用于对所述第一降采样模块输出的信号进行延迟，从而输出第一输出延迟信号；
第二延迟单元，与所述第二降采样模块连接，用于对所述第二降采样模块输出的信号进行延迟，从而输出第二输出延迟信号；
多路选择单元，与所述第一延迟单元和第二延迟单元连接，同时与所述第一降采样模块和第二降采样模块连接，用于对第一降采样模块输出的信号和第一输出延迟信号以及第二降采样模块输出的信号和第二输出延迟信号按照预设规则进行选择；
减法复用单元，与所述多路选择单元连接，用于对所述多路选择单元输出的信号进行复用；
反向多路选择单元，与所述减法复用单元连接，用于将所述减法复用单元输出的信号解复用，从而得到所述第一输出信号和所述第二输出信号。
7.根据权利要求6所述的滤波器结构，其特征在于，所述滤波器结构还包括延迟模块，连接于所述数字积分器和第一降采样模块之间，用于延迟第一降采样模块输出的信号。
8.根据权利要求7所述的滤波器结构，其特征在于，所述第一降采样模块的时钟周期比所述第二降采样模块的时钟周期延迟整数个时钟周期。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20170419 Address after: 223300 Jiangsu City, Huaiyin province (Industrial Park), Nanchang Road, No. three, layer 605, layer Patentee after: Huaian nano sensor Co., Ltd. Address before: 214000 Jiangsu city of Wuxi Province, No. 97 New Road E105 Linghu Liye Patentee before: Wuxi Nano MEMS, Inc. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160810 Termination date: 20171126 |