CN104518755B - 数字电路噪声滤波器及数字滤波方法 - Google Patents

数字电路噪声滤波器及数字滤波方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种数字电路滤波器，包括：独立毛刺滤除模块，用于接收输入信号，滤除信号中的独立毛刺；关联毛刺滤除模块，其信号输入端与所述独立毛刺滤除模块的输出端连接，用于接收滤除了独立毛刺的输入信号，将与信号波形关联的毛刺滤除；所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度；所述独立毛刺滤除模块和关联毛刺滤除模块在时间方向上分辨和滤除毛刺。还公开一种相应的数字滤波方法。上述数字滤波器和数字滤波方法，采用在时间方向上分辨和滤除毛刺的方法，能够消除幅值较大的脉冲噪声，避免出现时钟或信号错误。

Description

数字电路噪声滤波器及数字滤波方法
技术领域
本发明涉及数字电路技术领域，特别是涉及一种数字电路噪声滤波器和一种数字滤波方法。
背景技术
芯片在系统中经常会遭受外在干扰，例如静电放电、瞬间的电源开关跳动或者闪电引发的瞬间信号抖动等。以上干扰会引入时间短暂但幅度大的噪声脉冲，其效果对于数字电路近似毛刺，可能导致时钟脉冲错误，或者信号传输错误。
对于串扰引发的毛刺，一般的做法是采用施密特触发器，使输入信号的幅值在某个范围内不会造成输出信号跳动。施密特触发器的输入输出曲线如图1所示。输入在小于-T和从-T到T的范围增大时，输出为-M；输入在大于T和从T到-T减小时，输出为M。这样可以保证从-T到T的范围内输出信号的平稳。其中T是阈值电压。
但是施密特触发器并不能很好地消除幅值很大的噪声。当噪声幅值超过阈值电压T时（例如静电放电），噪声脉冲仍然会出现在输出端。如图2所示，是采用施密特触发器对噪声抑制的效果。输入信号IN中，方波为原有数字信号。标记为1、2、3、4、5的毛刺为噪声。可以看到，施密特触发器可以消除毛刺5，但毛刺1～4都无法消除。如果输入信号是时钟信号，经施密特触发器后，原有时钟信号中就会出现远高于工作频率的时钟脉冲。如果输入信号是控制信号或资料信号，就会产生传输错误。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够消除幅值较大的噪声信号的数字电路滤波器。
一种数字电路滤波器，包括：独立毛刺滤除模块，用于接收输入信号，滤除信号中的独立毛刺；关联毛刺滤除模块，其信号输入端与所述独立毛刺滤除模块的输出端连接，用于接收滤除了独立毛刺的输入信号，将与信号波形关联的毛刺滤除；所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度；所述独立毛刺滤除模块和关联毛刺滤除模块在时间方向上分辨和滤除毛刺。
在其中一个实施例中，所述独立毛刺滤除模块包括第一延迟链、第二延迟链和加法器，所述第一延迟链的信号输入端接收输入信号，所述第一延迟链的信号输出端与第二延迟链的信号输入端连接，所述第一延迟链的信号输入端、第一延迟链的信号输出端以及第二延迟链的信号输出端均与所述加法器的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述关联毛刺滤除模块包括第一D触发器和第三延迟链，所述第一D触发器的D输入端输入常高电平、触发端连接所述加法器的进位输出端、Q输出端经所述第三延迟链连接所述第一D触发器的清零端。
在其中一个实施例中，还包括除频器，所述除频器的信号输入端与所述关联毛刺滤除模块的输出端连接，用于将滤除了独立毛刺和关联毛刺的信号进行分频。
在其中一个实施例中，所述除频器为采用第二D触发器的二分频器，所述第二D触发器的触发端连接所述关联毛刺滤除模块的信号输出端、D输入端与输出端连接、Q输出端输出分频信号。
一种数字滤波方法，包括如下步骤：滤除输入信号中的独立毛刺；滤除与信号波形关联的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度；所述滤除信号中的独立毛刺和滤除与信号波形关联的毛刺的步骤中，均在时间方向上分辨和滤除毛刺。
在其中一个实施例中，所述滤除信号中的独立毛刺的步骤具体包括：在当前采样点、间隔第一延迟的采样点以及间隔第二延迟的采样点分别采样获得第一采样值、第二采样值以及第三采样值；将所述第一采样值、第二采样值以及第三采样值按照数字逻辑相加，并取进位输出。
在其中一个实施例中，所述滤除与信号波形关联的毛刺的步骤具体包括：接收所述进位输出信号，并将其输入第一D触发器的触发端；所述第一D触发器的触发端的D输入端输入常高电平；将所述第一D触发器的Q输出端经过第三延迟后输入所述第一D触发器的清零端；所述第一D触发器的Q输出端输出所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形。
在其中一个实施例中，还包括将滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形进行分频的步骤。
在其中一个实施例中，对所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形进行二分频，具体为：将所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形输入第二D触发器的触发端；将所述第二D触发器的D输入端与输出端连接；所述第二D触发器的Q输出端输出分频信号。
上述数字滤波器和数字滤波方法，采用在时间方向上分辨和滤除毛刺的方法，能够消除幅值较大的脉冲噪声，避免出现时钟或信号错误。
附图说明
图1为施密特触发器的特性曲线图；
图2为采用施密特触发器消除幅度较大的脉冲噪声时的波形图；
图3为一实施例的数字电路滤波器模块图；
图4a为独立毛刺波形示意图；
图4b为关联毛刺波形示意图；
图5为一实施例的数字电路滤波器的电路原理图；
图6为滤波波形示意图；
图7为一实施例的数字电路滤波方法流程图。
具体实施方式
如图3所示，为一实施例的数字电路滤波器模块图。该数字电路滤波器10包括独立毛刺滤除模块100和关联毛刺滤除模块200。
独立毛刺滤除模块100用于接收输入信号IN，并滤除输入信号IN中的独立毛刺。关联毛刺滤除模块200的信号输入端与独立毛刺滤除模块100的信号输出端连接，用于接收滤除了独立毛刺的输入信号IN1，将与信号波形关联的毛刺滤除。其中独立毛刺是指在一定时间范围内单独存在，附近没有其他毛刺和/或信号波形的毛刺，参考图4a。此处的“一定时间范围”至少大于毛刺的脉冲宽度。所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度。所述与信号波形关联的毛刺可以是两个以上，既可以出现在信号波形之前，也可以出现在信号波形之后，参考图4b。
独立毛刺滤除模块100和关联毛刺滤除模块200在时间方向上分辨和滤除毛刺。所述“在时间方向上分辨和滤除毛刺”具体是指通过检测噪声和信号的持续时间来分辨和滤除毛刺。由于毛刺通常都是具有突发性的脉冲信号，持续时间通常都很短，通过在时间方向上来分辨和滤除毛刺相比于传统的施密特触发器依靠幅值判断的方式，可避免噪声幅值太大时无法判断的情况。
具体地，如图5所示，独立毛刺滤除模块100包括第一延迟链110、第二延迟链120和加法器130。第一延迟链110的信号输入端接收输入信号IN，第一延迟链110的信号输出端与第二延迟链120的信号输入端连接。第一延迟链110的信号输入端、第一延迟链110的信号输出端以及第二延迟链120的信号输出端均与加法器130的输入端连接。其中第一延迟链110和第二延迟链120的延迟时间相同，均为T1，且都大于毛刺本身的脉冲宽度。使用延迟链将数字信号进行延迟输出是本领域常规技术，在此不赘述。
采用两个延迟链，可以间隔两个延迟时间T1采样3个电压值，若输入信号IN中出现单独的毛刺，位于毛刺出现周期内的采样值将可能被判定为数字信号1，但其他两个采样点则都被判定为数字信号0，经加法器130相加后，进位仍为0，则独立毛刺滤除模块100的输出信号IN1为0，也即意味着独立毛刺滤除模块100将独立毛刺消除。
正常的信号波形通过独立毛刺滤除模块100时，输出信号IN1都会为1。
可以理解，根据前述原理，也可以采用其他类似的电路实现独立毛刺的滤除。
继续参考图5，关联毛刺滤除模200包括第一D触发器210和第三延迟链220。第一D触发器210的D输入端输入常高电平（也即数字信号1）、触发端连接加法器130的进位输出端、Q输出端经第三延迟链220连接第一D触发器210的清零端CLR。其中第三延迟链220的延迟时间为T2，也大于毛刺本身的脉冲宽度并且一般也与表示数字信号的波形宽度相当。使用延迟链将数字信号进行延迟输出是本领域常规技术，在此不赘述。
经分析可知，当第一D触发器210上电复位后，其Q输出端为低电平。在输入信号IN1上升为高电平时，触发第一D触发器210的Q输出端的低电平翻转为高电平，并一直维持，直至经第三延迟链220的延迟时间T2后，高电平信号到达第一D触发器210的清零端，第一D触发器210被清零复位。第一D触发器210被清零复位后，第一D触发器210的Q输出端变为低电平。则第一D触发器210的Q输出端输出了一个持续时间为T2的高电平。也即关联毛刺滤除模200可以把伴随信号波形的毛刺和信号波形一起修整为没有毛刺的信号波形。
上述延迟时间T1和T2均可通过延迟链电路进行改变，以适应不同电路中的毛刺和信号波形。
进一步地，本实施例的数字电路滤波器10还包括除频器300。除频器300的信号输入端与关联毛刺滤除模块200的信号输出端连接，用于将滤除了独立毛刺和关联毛刺的信号进行分频，使得输出信号波形的宽度保持一致。
具体地，参考图5，除频器300为采用第二D触发器的二分频器，第二D触发器的触发端连接关联毛刺滤除模块200的信号输出端、D输入端与输出端连接、Q输出端输出分频信号。
可以理解，除频器300还可以采用其他分频电路，得到其他倍数的分频。
图6为采用上述数字滤波器将输入信号IN进行噪声滤除后得到输出信号OUT的波形示意图。
如图7所示，为一实施例的数字滤波方法流程图。该方法包括如下步骤。
步骤S101：滤除输入信号中的独立毛刺。
具体包括：
在当前采样点、间隔第一延迟的采样点以及间隔第二延迟的采样点分别采样获得第一采样值、第二采样值以及第三采样值。
将所述第一采样值、第二采样值以及第三采样值按照数字逻辑相加，并取进位输出。第一延迟和第二延迟相同。
若输入信号中出现单独的毛刺，位于毛刺出现周期内的采样值将可能被判定为数字信号1，但其他两个采样点则都被判定为数字信号0，按照数字逻辑相加后，进位仍为0，则输出信号为0，也即意味着将独立毛刺消除。
步骤S102：滤除与信号波形关联的毛刺。所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度。
具体包括：
接收所述进位输出信号，并将其输入第一D触发器的触发端；所述第一D触发器的触发端的D输入端输入常高电平。
将所述第一D触发器的Q输出端经过第三延迟后输入所述第一D触发器的清零端；所述第一D触发器的Q输出端输出所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形。
步骤S103：将滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形进行分频。
具体为：
将所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形输入第二D触发器的触发端。
将所述第二D触发器的D输入端与输出端连接。
所述第二D触发器的Q输出端输出分频信号。
上述步骤S103为利用D触发器进行二分频的典型方式，可以将信号波形进行二分频，得到宽度一致的脉冲信号输出。
上述数字滤波器和数字滤波方法，采用在时间方向上分辨和滤除毛刺的方法，能够消除幅值较大的脉冲噪声，避免出现时钟或信号错误。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种数字电路滤波器，其特征在于，包括：
独立毛刺滤除模块，用于接收输入信号，滤除信号中的独立毛刺；
关联毛刺滤除模块，其信号输入端与所述独立毛刺滤除模块的输出端连接，用于接收滤除了独立毛刺的输入信号，将与信号波形关联的毛刺滤除；所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度；
所述独立毛刺滤除模块和关联毛刺滤除模块在时间方向上分辨和滤除毛刺；所述“在时间方向上分辨和滤除毛刺”为通过检测噪声和信号的持续时间来分辨和滤除毛刺；
所述关联毛刺滤除模块包括第一D触发器和第三延迟链，所述第一D触发器的D输入端输入常高电平、触发端连接所述独立毛刺滤除模块的信号输出端、Q输出端经所述第三延迟链连接所述第一D触发器的清零端。
2.根据权利要求1所述的数字电路滤波器，其特征在于，所述独立毛刺滤除模块包括第一延迟链、第二延迟链和加法器，所述第一延迟链的信号输入端接收输入信号，所述第一延迟链的信号输出端与第二延迟链的信号输入端连接，所述第一延迟链的信号输入端、第一延迟链的信号输出端以及第二延迟链的信号输出端均与所述加法器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的数字电路滤波器，其特征在于，还包括除频器，所述除频器的信号输入端与所述关联毛刺滤除模块的输出端连接，用于将滤除了独立毛刺和关联毛刺的信号进行分频。
4.根据权利要求3所述的数字电路滤波器，其特征在于，所述除频器为采用第二D触发器的二分频器，所述第二D触发器的触发端连接所述关联毛刺滤除模块的信号输出端、D输入端与Q输出端连接、Q输出端输出分频信号。
5.一种数字滤波方法，包括如下步骤：
滤除输入信号中的独立毛刺；
滤除与信号波形关联的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺包括在信号波形之前出现的毛刺和在信号波形之后出现的毛刺；所述与信号波形关联的毛刺与信号波形相距不超过毛刺的脉冲宽度；
所述滤除信号中的独立毛刺和滤除与信号波形关联的毛刺的步骤中，均在时间方向上分辨和滤除毛刺；所述“在时间方向上分辨和滤除毛刺”为通过检测噪声和信号的持续时间来分辨和滤除毛刺；
所述滤除与信号波形关联的毛刺的步骤具体包括：
接收滤除了独立毛刺的输入信号，并将其输入第一D触发器的触发端；所述第一D触发器的触发端的D输入端输入常高电平；
将所述第一D触发器的Q输出端经过第三延迟后输入所述第一D触发器的清零端；所述第一D触发器的Q输出端输出所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形。
6.根据权利要求5所述的数字滤波方法，其特征在于，所述滤除信号中的独立毛刺的步骤具体包括：
在当前采样点、间隔第一延迟的采样点以及间隔第二延迟的采样点分别采样获得第一采样值、第二采样值以及第三采样值；
将所述第一采样值、第二采样值以及第三采样值按照数字逻辑相加，并取进位输出。
7.根据权利要求5所述的数字滤波方法，其特征在于，还包括将滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形进行分频的步骤。
8.根据权利要求7所述的数字滤波方法，其特征在于，对所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形进行二分频，具体为：
将所述滤除了与信号波形关联的毛刺的信号波形输入第二D触发器的触发端；
将所述第二D触发器的D输入端与Q输出端连接；
所述第二D触发器的Q输出端输出分频信号。
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