CN104811166A

CN104811166A - 一种矩形波信号过零滤波方法及装置

Info

Publication number: CN104811166A
Application number: CN201510256299.1A
Authority: CN
Inventors: 程森林; 赵晓兀; 王燕; 何强志
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing Kezhiyuan Technology Co ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: CN104811166B

Abstract

本发明涉及一种矩形波信号过零滤波方法及装置，属于电子技术领域。该方法具体步骤如下：输入信号经滤波模块进行滤波处理，输出具有T_f延迟的滤波后信号；通过过零宽度统计模块统计信号的过零宽度T_z；通过周期统计模块统计滤波后信号的周期T；根据信号的周期、过零点干扰宽度、过零点时刻，经时间校正模块对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号。本发明提供的一种矩形波信号过零滤波方法及装置，根据干扰的时刻和宽度来确定过零信号的正确发生时间，对信号的滤波延迟进行补偿，输出信号下一个跳变的正确时刻，具有较好的滤波效果。

Description

一种矩形波信号过零滤波方法及装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种矩形波信号过零滤波方法及装置。

背景技术

在一些控制电路，如PWM调制、可控硅点触发等，需要根据信号的过零点来确定控制基准时刻。这类信号往往都处理成了矩形波信号，以方便后续的数字电路的处理与变换。

但是，在基准信号处理成矩形波信号的时候，若原始信号中有干扰，处理后的方波信号也有干扰，尤其过零点的干扰更严重。一个典型的受干扰的矩形波信号如图1所示。

为了排除干扰信号，往往需要滤波电路。对这种高频干扰，常用的就是低通滤波器，一个典型的低通滤波器电路如图2所示。

低通滤波器在滤除干扰的同时，会产生延迟。在一个参数确定的滤波电路中，不同的输入信号产生的延迟还不相同。在技术上用相频特性曲线来表示这种延迟的变化情况，如图3所示。

采用传统的低通滤波电路，除了延迟外，还不能识别干扰的宽度。在干扰时间段，信号是高频的，滤波后的信号输出是0，只有在干扰停止后，信号输出才正确反映输入信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矩形波信号过零滤波方法及装置，对于过零点信号而言，在零点附近的干扰是对称的，因此正确的零点应位于过零点干扰的中间时刻，应根据干扰的时刻和宽度来确定过零信号的正确发生时间。该方法根据干扰的时刻和宽度来确定过零信号的正确发生时间，然后对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号。

本发明的目的之一是提供一种矩形波信号过零滤波方法，本发明的目的之二是提供一种矩形波信号过零滤波装置。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

一种矩形波信号过零滤波方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)输入信号经滤波模块进行滤波处理；

步骤2)过零宽度统计模块统计信号的过零宽度T_z；

步骤3)周期统计模块统计滤波后信号的周期T；

步骤4)根据信号的周期、过零点干扰宽度、过零点时刻，经时间校正模块对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号。

进一步，所述步骤1)对输入信号进行滤波处理具体为：以持续有效宽度T_f作为滤波条件对输入信号进行滤波，输出具有T_f延迟的滤波后信号。

进一步，所述过零宽度T_z为从过零干扰开始到滤波结束的时间。

进一步，所述过零点时刻为过零点干扰的中间时刻。

进一步，通过以下公式对滤波后信号进行修正，

T_{c} = T_{f} + \frac{T_{z} - T_{f}}{2} = \frac{T_{z} + T_{f}}{2},

其中，修正后的信号过零时刻比滤波结束时刻提前的时间T_c，T_f为滤波时间，T_z为过零宽度。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

一种矩形波信号过零滤波装置，该电路包括滤波模块、过零宽度统计模块、周期统计模块和时间校正模块；所述输入信号和滤波信号经滤波模块后，输出滤波后信号、信号1和信号2，所述信号1为滤波模块中异或门的输出信号，所述信号2为滤波模块中比较器1的输出信号；滤波后信号经周期统计模块后输出周期信号，周期为T；信号1和信号2经过零宽度统计模块后输出过零宽度信号，过零宽度为T_z；滤波后信号、周期信号、过零宽度信号及滤波信号经时间校正模块后，输出修正后的信号。

进一步，所述滤波模块包括异或门、跳变计数器1、比较器1、D触发器1；所述滤波模块用于滤除输入信号上升、下降沿、高低电平时的干扰；所述输入信号分别于与异或门的一个输入端和D触发器1的输入端连接；异或门的输出端与跳变计数器1的清零端连接，异或门的输出端输出信号1；时钟信号CLK与跳变计数器1的CLK端连接，跳变计数器1的输出端与比较器1的A输入端连接；滤波时间T_f与比较器1的B输入端连接，比较器1的输出端与D触发器1的时钟输入端连接，比较器1的输出端输出信号2；触发器1的输出端与异或门的另一个输入端连接，触发器1输出滤波后的信号。

进一步，所述过零宽度统计模块包括复位优先RS触发器、计数器2、D触发器2、与门1及4个反相器；所述过零宽度统计模块用于统计出输入信号过零点干扰宽度；所述信号1分别连接RS触发器的S端和与门1的一个输入端，所述信号2分别连接RS触发器的R端与门1的另一输入端，RS触发器的输出端与计数器2的使能端连接，时钟信号CLK与计数器2的CLK端连接，信息2经反相器后与计数器2的清零端连接，计数器2的输出端与D触发器2的输入端连接，与门1的输出端与D触发器2的CLK端连接，D触发器2输出过零宽度信号，过零宽度为T_z。

进一步，所诉周期统计模块包括D触发器3、D触发器4、计数器3、与门2及两个反相器；所述周期统计模块以滤波模块的输出作为本模块的输入信号，统计其周期数据；所述滤波后信号分别连接D触发器3的输入端和与门2的一个输入端，时钟信号CLK分别与D触发器3的CLK端和计数器3的CLK端连接，D触发器3的输出端连接与门2的另一输出入端，与门2的输出端经反相器与计数器3的清零端连接，计数器3的输出端与D触发器4的输入端连接，与门2的输出端与D触发器4的CLK端连接，D触发器4的输出端输出周期信号，周期为T。

进一步，所述时间校正模块包括加法器、D触发器5、计数器4、比较器4、比较器5、与门3；所示时间校正模块用于对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号；所述滤波时间信号连接加法器的A输入端，过零宽度信号连接加法器的B输入端，加法器的输出端与计数器4的输入端连接，滤波后信号分别连接D触发器5输入端和与门3的一个输入端，D触发器5的输出端连接与门3的另一个输入端；时钟信号CLK分别连接D触发器5的CLK端和计数器4的CLK端，与门3的输出端连接计数器4的PE端，计数器4的输出端分别连接比较器2的A输入端和比较器3的A输入端，周期信号分别连接比较器2的B输入端和比较器3的输入端，比较器3的输出端与计数器4的清零端连接，比较器2输出最后经修正的信号。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种矩形波信号过零滤波方法及装置，通过滤波、过零宽度统计、周期统计、时间校正四个模块准确识别出过零点，然后对信号的滤波延迟进行补偿，输出信号下一个跳变的正确时刻，具有较好的滤波效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为典型的受干扰的矩形波信号；

图2为典型的低通滤波器电路；

图3为滤波产生延迟的相频特性曲线；

图4为本发明所述方法信号流图；

图5为本发明所述方法的信号演变示意图；

图6为滤波处理过程示意图；

图7为滤波处理电路；

图8为过零宽度统计示意图；

图9为过零宽度统计电路；

图10为周期统计过程示意图；

图11为周期统计电路；

图12为校正过程示意图；

图13为时间校正电路；

图14为滤波效果对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种矩形波信号过零滤波方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1)输入信号经滤波模块进行滤波处理；以持续有效宽度T_f作为滤波条件对输入信号进行滤波，输出具有T_f延迟的滤波后信号。

步骤2)过零宽度统计模块统计信号的过零宽度T_z；过零宽度T_z为从过零干扰开始到滤波结束的时间。

步骤3)周期统计模块统计滤波后信号的周期T；

步骤4)根据信号的周期、过零点干扰宽度、过零点时刻，经时间校正模块对信号的滤波延迟进行补偿，得到修正后的信号，如图5所示。过零点时刻为过零点干扰的中间时刻，设置过零点干扰计数器，在干扰起始时刻启动计数，在信号正常后停止计数，通过计数值得到干扰的中间时刻，以该时刻作为过零点时刻。

滤波的确认时间为T_f(即没有干扰的正常信号持续了T_f时间)，输入信号从过零干扰开始到滤波结束的时间为T_z，则修正后的信号过零时刻比滤波结束时刻提前的时间T_c应为：

T_{c} = T_{f} + \frac{T_{z} - T_{f}}{2} = \frac{T_{z} + T_{f}}{2}

也就是说，滤波结束时，输出计数器的值应该为T_c，该值就是本发明确定的校正时间。

本发明提供的一种矩形波信号过零滤波装置，包括滤波模块、过零宽度统计模块、周期统计模块和时间校正模块；所述输入信号和滤波信号经滤波模块后，输出滤波后信号、信号1和信号2，所述信号1为滤波模块中异或门的输出信号，所述信号2为滤波模块中比较器1的输出信号；滤波后信号经周期统计模块后输出周期信号，周期为T；信号1和信号2经过零宽度统计模块后输出过零宽度信号，过零宽度为T_z；滤波后信号、周期信号、过零宽度信号及滤波信号经时间校正模块后，输出修正后的信号。

滤波模块用于滤除输入信号上升、下降沿、高低电平时的干扰；滤波处理过程如图6所示；信号中有正常跳变信号和干扰跳变信号，其中干扰信号跳变后维持的时间比较短。根据信号特点和干扰情况，设干扰信号跳变后持续最大的时间为T_f，所有持续时间小于T_f的跳变就是干扰，需要忽略。

本发明采用跳变计数器来滤波。跳变计数器在输入与输出电平不同的时候开始计数，相同的时候清0。如果跳变计数器计数值大于等于滤波宽度T_f时，说明输入电平与输出电平不同的状态持续了较长时间，此时才认为输入信号的跳变是有效的跳变。

如图6所示，输入信号在正跳变的过程中，经历了干扰状态A、B，最后才是跳变状态C。在A状态，跳变仅维持了4个时钟，B状态仅维持了3个时钟，所以输出(滤波后信号)是不发生变化的。最后的C状态持续超过了滤波宽度T_f。当跳变计数器到达T_f时，立即确认跳变有效，输出发生变化。输出跳变有效后，输入输出信号相同了，跳变计数器也就清零，不再继续计数了。

滤波模块的电路如图7所示，包括异或门、跳变计数器1、比较器1、D触发器1；输入信号分别于与异或门的一个输入端和D触发器1的输入端连接；异或门的输出端与跳变计数器1的清零端连接，异或门的输出端输出信号1；时钟信号CLK与跳变计数器1的CLK端连接，跳变计数器1的输出端与比较器1的A输入端连接；滤波时间T_f与比较器1的B输入端连接，比较器1的输出端与D触发器1的时钟输入端连接，比较器1的输出端输出信号2；触发器1的输出端与异或门的另一个输入端连接，触发器1输出滤波后的信号。

异或门U1用来比较IN、OUT是否相同，若相同输出0，不同输出1。计数器U2的清零端R接U1的输出，当IN、OUT相同输出为0时R有效，计数器输出为0。当IN、OUT不同U1输出1时计数器U2的清零端R无效，计数器在时钟CLK触发下计数。U2的计数值送到比较器U3，U3将计数值与设置的值T_f进行比较，若小于T_f则输出0。当计数值大于等于T_f时，U3的输出由0变为1，在上升沿触发D触发器U4，确认跳变，把输入IN锁存到输出OUT。

当跳变有效、IN锁存到输出OUT后，U1的两个输入相同，输出为0，使计数器U2清零，停止工作，U3的输出回到0，等待下一次跳变。

电路的输出IN≠OUT(信号1)、A≥B(信号2)用于后面的电路处理。

过零宽度统计模块用于统计出输入信号过零点干扰宽度；过零宽度统计过程如图8所示；统计过零点干扰就是统计从第1个干扰开始，到滤波确认过零跳变有效时刻之间的时间长度。如图8所示，过零宽度计数器在第一个干扰的上升沿启动计数，在输入信号跳变确认时的计数值就是过零过零宽度T_z。在输入信号跳变确认后，过零宽度计数器清零，以进行下一次过零宽度的统计。

过零宽度统计模块的电路如图9所示，包括复位优先RS触发器、计数器2、D触发器2、与门1及4个反相器；信号1分别连接RS触发器的S端和与门1的一个输入端，信号2分别连接RS触发器的R端与门1的另一输入端，RS触发器的输出端与计数器2的使能端连接，时钟信号CLK与计数器2的CLK端连接，信息2经反相器后与计数器2的清零端连接，计数器2的输出端与D触发器2的输入端连接，与门1的输出端与D触发器2的CLK端连接，D触发器2输出过零宽度信号，过零宽度为T_z。

通过RS触发器U1来控制过零干扰的统计计数器U2的工作时间。U1输出为高电平的时间，就是从第一个跳变或干扰信号产生，到最后跳变确认有效时刻之间的时间。当滤波电路输出的A≥B信号为高电平时，表示一个跳变识别结束。本发明用该信号控制U1的清零端，在跳变结束时清除U1输出，不允许计数。当A≥B信号回到低电平后，若滤波电路的输出IN≠OUT出现了高电平，表示出现了一个跳变，该高电平把U1的输出置1，允许U2计数，U2的计数过程就会一直进行下去，直到跳变识别结束、A≥B信号为高电平时才停止。

通过计数器U2来统计过零干扰的时间，在U1为高电平期间计数，在个跳变识别结束，用A≥B信号的高电平对计数器的复位端进行清零处理，保证每次统计都是从0开始的。

U2统计的干扰持续时间通过D触发器U3来保存，U3的Q输出就是统计的过零宽度T_z。输入信号滤波前后有变化的跳变才是过零点，所以本发明用了U5与门，在跳变识别结束(A≥B)、同时输入输出信号发生变化(IN≠OUT)时才锁存U2的计数值。为了在锁存U2的结果时，U2还没有清零，本发明用了U4来对U2的清零信号延迟处理，保证在U3锁存成功后，U2才清零。

过零宽度T_z用于后面的电路处理。

周期统计模块以滤波模块的输出(滤波后信号)作为本模块的输入信号，统计其周期数据；周期统计过程如图10所示，在输入信号的上升沿，周期计数器先清零，随后启动计数，到下一个上升沿时读取周期计数器的值，便统计出了相邻两个上升沿之间的时间，即信号周期。

周期统计模块的电路如图11所示，包括D触发器3、D触发器4、计数器3、与门2及两个反相器；滤波后信号分别连接D触发器3的输入端和与门2的一个输入端，时钟信号CLK分别与D触发器3的CLK端和计数器3的CLK端连接，D触发器3的输出端连接与门2的另一输出入端，与门2的输出端经反相器与计数器3的清零端连接，计数器3的输出端与D触发器4的输入端连接，与门2的输出端与D触发器4的CLK端连接，D触发器4的输出端输出周期信号，周期为T。

通过D触发器U1来捕获输入信号的上升沿。当U1的输出端Q为1同时输入信号为1时，是输入信号的上升沿，此时U2输出为1，U4清零端R有效，U4计数值清零。在过了上升沿时刻后，U2输出为0，U4清零端R无效，U4开始计数。

当下一个上升沿到来时，U4的计数值便是输入信号相邻两上升沿之间的时间，即输入信号的周期。U2输出由0变为1时，U5将本次周期数据锁存输出。本专利采用反相器U3来产生延时，由于其延时作用，保证U5对周期数据的锁存时U4的清零还没有开始。

输出周期数据T用于后面的电路处理。

时间校正模块用于对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号；时间校正模块的校正过程如图12所示，时间校正模块模块根据信号周期和干扰情况，对滤波结束时的正确时间进行校正，保证滤波后的信号相位的正确性。滤波后的信号是一个周期为T的方波信号，本发明用来一个输出计数器来控制，当计数器的值小于T/2时输出为1，当计数器的值大于等于T/2时输出为0。等计数器的值大于等于T时，计数器清零。

输入信号经过滤波处理才能得到输出信号。本发明中，滤波的确认时间为T_f(即没有干扰的正常信号持续了T_f时间)，输入信号从过零干扰开始到滤波结束的时间为T_z，则修正后的信号过零时刻比滤波结束时刻提前的时间T_c应为：

T_{c} = T_{f} + \frac{T_{z} - T_{f}}{2} = \frac{T_{z} + T_{f}}{2}

滤波结束时，输出计数器的值应该为T_c，该值就是本发明确定的校正时间。校正过程如下图所示。

时间校正模块的电路如图13所示，包括加法器、D触发器5、计数器4、比较器4、比较器5、与门3；所述滤波时间信号连接加法器的A输入端，过零宽度信号连接加法器的B输入端，加法器的输出端与计数器4的输入端连接，滤波后信号分别连接D触发器5输入端和与门3的一个输入端，D触发器5的输出端连接与门3的另一个输入端；时钟信号CLK分别连接D触发器5的CLK端和计数器4的CLK端，与门3的输出端连接计数器4的PE端，计数器4的输出端分别连接比较器2的A输入端和比较器3的A输入端，周期信号分别连接比较器2的B输入端和比较器3的输入端，比较器3的输出端与计数器4的清零端连接，比较器2输出最后经修正的信号。

电路中的加法器、计数器、比较器和触发器都假定是n位宽度，输入信号滤波时间T_f、过零宽度T_z、周期数据T也是n位数据，实际电路中的数据宽度可以根据具体情况变化。

电路中U1的输出只取了输出数据的第1位到第n-1位，最低位Q₀为0，所以加法器U1的输出是滤波时间与过零宽度之和的二分之一，是滤波后信号需要补偿的时间长度T_c。

U2、U3用来捕获滤波后信号的上升沿。当信号1上升沿到来时，U3输出高电平，高电平持续的时间为1个时钟周期。

当滤波后信号上升沿到来时，计数器U4的置数端有效，把U1的输出值T_c作为计数初值，实现了滤波结束后的时间校正。U6将U2计数值与滤波后信号的周期做比较，当U4计数值超过滤波后信号的周期时，U6输出1，将U4清0，保证了输出计数器U4在0～T-1之间周期性运行。

U5用于将输出计数器U4的计数值与T/2作比较(U5的B输入端B_n-2～B₀＝T_n-1～T₁＝T/2)，U4计数值小于T/2，U5输出1，否则输出0，实现了以T为周期的方波信号输出。

本发明所述方法的滤波效果与采用传统RC电路滤波效果的对比，如图14所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种矩形波信号过零滤波方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)输入信号经滤波模块进行滤波处理；

步骤2)过零宽度统计模块统计信号的过零宽度T_z；

步骤3)周期统计模块统计滤波后信号的周期T；

2.根据权利要求1所述的一种矩形波信号过零滤波方法，其特征在于：所述步骤1)对输入信号进行滤波处理具体为：以持续有效宽度T_f作为滤波条件对输入信号进行滤波，输出具有T_f延迟的滤波后信号。

3.根据权利要求1所述的一种矩形波信号过零滤波方法，其特征在于：所述过零宽度T_z为从过零干扰开始到滤波结束的时间。

4.根据权利要求1所述的一种矩形波信号过零滤波方法，其特征在于：所述过零点时刻为过零点干扰的中间时刻。

5.根据权利要求1所述的一种矩形波信号过零滤波方法，其特征在于：通过以下公式对滤波后信号进行修正，

T_{c} = T_{f} + \frac{T_{z} - T_{f}}{2} = \frac{T_{z} + T_{f}}{2},

其中，T_c为修正后的信号过零时刻比滤波结束时刻提前的时间，T_f为滤波时间，T_z为过零宽度。

6.一种矩形波信号过零滤波装置，其特征在于：该电路包括滤波模块、过零宽度统计模块、周期统计模块和时间校正模块；所述输入信号和滤波信号经滤波模块后，输出滤波后信号、信号1和信号2，所述信号1为滤波模块中异或门的输出信号，所述信号2为滤波模块中比较器1的输出信号；滤波后信号经周期统计模块后输出周期信号，周期为T；信号1和信号2经过零宽度统计模块后输出过零宽度信号，过零宽度为T_z；滤波后信号、周期信号、过零宽度信号及滤波信号经时间校正模块后，输出修正后的信号。

7.根据权利要求6所述的一种矩形波信号过零滤波装置，其特征在于：所述滤波模块包括异或门、跳变计数器1、比较器1、D触发器1；所述滤波模块用于滤除输入信号上升、下降沿、高低电平时的干扰；所述输入信号分别于与异或门的一个输入端和D触发器1的输入端连接；异或门的输出端与跳变计数器1的清零端连接，异或门的输出端输出信号1；时钟信号CLK与跳变计数器1的CLK端连接，跳变计数器1的输出端与比较器1的A输入端连接；滤波时间T_f与比较器1的B输入端连接，比较器1的输出端与D触发器1的时钟输入端连接，比较器1的输出端输出信号2；触发器1的输出端与异或门的另一个输入端连接，触发器1输出滤波后的信号。

8.根据权利要求6所述的一种矩形波信号过零滤波装置，其特征在于：所述过零宽度统计模块包括复位优先RS触发器、计数器2、D触发器2、与门1及4个反相器；所述过零宽度统计模块用于统计出输入信号过零点干扰宽度；所述信号1分别连接RS触发器的S端和与门1的一个输入端，所述信号2分别连接RS触发器的R端与门1的另一输入端，RS触发器的输出端与计数器2的使能端连接，时钟信号CLK与计数器2的CLK端连接，信息2经反相器后与计数器2的清零端连接，计数器2的输出端与D触发器2的输入端连接，与门1的输出端与D触发器2的CLK端连接，D触发器2输出过零宽度信号，过零宽度为T_z。

9.根据权利要求6所述的一种矩形波信号过零滤波装置，其特征在于：所诉周期统计模块包括D触发器3、D触发器4、计数器3、与门2及两个反相器；所述周期统计模块以滤波模块的输出作为本模块的输入信号，统计其周期数据；所述滤波后信号分别连接D触发器3的输入端和与门2的一个输入端，时钟信号CLK分别与D触发器3的CLK端和计数器3的CLK端连接，D触发器3的输出端连接与门2的另一输出入端，与门2的输出端经反相器与计数器3的清零端连接，计数器3的输出端与D触发器4的输入端连接，与门2的输出端与D触发器4的CLK端连接，D触发器4的输出端输出周期信号，周期为T。

10.根据权利要求6所述的一种矩形波信号过零滤波装置，其特征在于：所述时间校正模块包括加法器、D触发器5、计数器4、比较器4、比较器5、与门3；所示时间校正模块用于对信号的滤波延迟进行补偿，输出修正后的信号；所述滤波时间信号连接加法器的A输入端，过零宽度信号连接加法器的B输入端，加法器的输出端与计数器4的输入端连接，滤波后信号分别连接D触发器5输入端和与门3的一个输入端，D触发器5的输出端连接与门3的另一个输入端；时钟信号CLK分别连接D触发器5的CLK端和计数器4的CLK端，与门3的输出端连接计数器4的PE端，计数器4的输出端分别连接比较器2的A输入端和比较器3的A输入端，周期信号分别连接比较器2的B输入端和比较器3的输入端，比较器3的输出端与计数器4的清零端连接，比较器2输出最后经修正的信号。