CN112067869A - 一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法。一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置，包括：控制单元，配置为接收用户设置的带宽限制命令和参数，控制带宽限制单元的运行；数据接收单元，配置为对ADC量化后的数据进行接收，并整理成需要的数据格式；滤波参数接收单元，配置为接收控制单元发送的滤波参数和控制命令；带宽限制滤波单元，包括多级不同带宽限制的滤波模块，配置为在控制单元的控制下，对各个滤波模块进行参数配置，实现带宽限制下的数字滤波。本发明的装置及方法采用数字滤波技术，在实现示波器的带宽限制时具有限制带宽范围大、档位多，设置灵活的特点；采用多级FIR，滤波通频带具有较好的平坦特性。

Description

一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法。

背景技术

近年来，随着直流电源、汽车电子、频谱分析与检测等领域的快速发展，对于示波器的带宽限制功能提出了大范围、多档位等灵活性要求。

目前国内常见的示波器，一般选用具备带宽限制功能的放大器芯片置于模拟通道信号链路上，通过对该放大器的控制，实现带宽限制。放大器芯片的带宽限制由于属于模拟器件实现，这种方法的缺点是：1、带宽限制只有少数的几个档位；2、带宽限制数值较为固定，不能灵活设置；3、通频带内幅频响应呈现高斯特性，容易引起信号失真；4、采用专用器件实现带宽限制，增加了调试和维修复杂度，硬件成本较高。这些性能和成本劣势限制了示波器的发展和广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于数字信号处理的滤波装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置，包括：控制单元，配置为接收用户设置的带宽限制命令和参数，控制带宽限制滤波单元的运行；

数据接收单元，配置为对ADC量化后的数据进行接收，并整理成需要的数据格式；

滤波参数接收单元，配置为接收控制单元发送的滤波参数和控制命令，输出适配带宽限制滤波单元中各个滤波模块运行需要的各种参数和启动、停止状态控制命令；

带宽限制滤波单元，包括多级不同带宽限制的滤波模块，配置为在控制单元的控制下，根据滤波参数，对各个滤波模块进行参数配置，实现带宽限制下的数字滤波。

作为本发明的一种优选方式，所述的带宽限制滤波单元主要由多级FIR滤波模块级联组成，启动的级数越高，能够实现的带宽限制频率越低。

进一步优选地，所述的多级FIR滤波模块由第1级FIR滤波器、第2级FIR滤波器和第3级FIR滤波器组成，其中，启用第1级FIR滤波器后可实现带宽限制范围为200MHz～5MHz；启用第1、2级后可实现5MHz～125KHz；启用第1、2、3级后可实现125KHz～1KHz。

进一步优选地，所述的带宽限制滤波单元包括前置多级CIC模块，用于实现对高速ADC量化数据的前置抗混叠滤波。

进一步优选地，所述的带宽限制滤波单元还包括抽取模块和插值模块，所述的抽取模块用于抽取前置多级CIC模块的滤波数据，以满足多级FIR模块对采样率的要求；所述的插值模块主要用于对多级FIR滤波模块滤波后的数据进行采样率恢复。

进一步优选地，所述的带宽限制滤波单元还包括后置多级CIC滤波模块，主要用于对插值后数据进行平滑滤波处理，所述后置多级CIC滤波模块的级数与前置多级CIC滤波模块的级数相同。

进一步优选地，还包括延迟控制单元，所述延迟控制单元由多个延迟控制开关组成，每个延迟控制开关对应带宽限制滤波单元中的一个模块，用以确保“已开启滤波通道”和“未开启滤波通道”信号之间的延时关系不变。

为了进一步解决本发明的技术问题，本发明还提供了一种用于示波器带宽限制的数字滤波方法，包括：

控制单元对用户输入的带宽限制数值进行分析，按照既定的带宽限制档位计算滤波参数：前置CIC级数、抽样倍数、FIR滤波级数及系数、插值倍数、后置CIC级数；

数据接收单元将接收的ADC量化后的数据整理成需要的数据格式，并发送给带宽限制滤波单元；

滤波参数接收单元接收滤波参数和控制命令，随后重新启动示波器采集过程；

带宽限制滤波单元根据接收的滤波参数，对各个滤波模块进行参数配置，对采集到的数据进行带宽限制下的滤波操作。

本发明用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法，具有的有益效果是：

（1）带宽限制范围200MHz～1KHz；

（2）带宽限制档位可在带宽限制范围内任意设置；

（3）过渡带宽最小达0.05π（归一化）；

（4）阻带衰减最高可达70dB。

本发明的装置及方法采用数字滤波技术，在实现示波器的带宽限制时具有限制带宽范围大、档位多，设置灵活的特点；采用多级FIR，滤波通频带具有较好的平坦特性；由可编程电路实现，易于修改、升级，而不需要对电路进行改版。

附图说明

图1本发明实施例中用于示波器带宽限制的数字滤波装置及方法原理框图；

图2是本发明实施例中带宽限制滤波单元结构图；

图3是本发明实施例中控制单元给出的带宽限制滤波效果显示模型；

图4采用传统模拟芯片和本发明数字滤波装置进行20MHz带宽限制测试对比示意图；

图5采用传统模拟芯片和本发明数字滤波装置进行20MHz带宽限制测试对比（dB图）示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1 本实施例提供的一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置,原理及结构如图1所示。其处理的数据来自ADC量化之后的数字信号，系统由控制单元、数据接收单元、滤波参数接收单元和带宽限制滤波单元组成。

带宽限制滤波单元及数据接收单元、滤波参数接收单元均在可编程电路如常见的FPGA内部实现，不使用任何额外的硬件电路。

各单元及模块的功能介绍如下：

1、控制单元，基于示波器带宽限制功能开发的控制系统，该控制单元接收用户通过输入界面设置的带宽限制命令和参数，传递给可编程电路内部的带宽限制滤波单元，并控制其运行过程。该单元对用户输入的限制带宽进行分析，计算出所需的滤波组合和相应的滤波参数，发送给可编程电路内的带宽限制滤波单元后启动滤波过程。

2、可编程电路内部的数据接收单元，主要用于对ADC量化后的数据进行接收，并整理成方便后续带宽限制滤波单元处理的数据格式。

3、可编程电路内部的滤波参数接收单元，主要用于接收控制单元的滤波参数和控制命令，输出适配各个滤波模块运行需要的各种参数和启动、停止状态控制命令等。

4、可编程电路内部的带宽限制滤波单元是实现带宽限制的核心单元，如图2所示，主要由前置多级CIC模块、抽取模块、第1级FIR滤波器、第2级FIR滤波器、第3级FIR滤波器、插值模块与后置多级CIC模块等模块组成。

（1）前置多级CIC模块，该模块结构简单，只有加法器、积分器和寄存器，适合于工作在高采样率条件下，用于实现对高速ADC量化数据的前置抗混叠滤波。

由于单级CIC滤波阻带衰减有限，本实施例根据用户输入带宽限制范围，采用5级可选的CIC滤波器级联，以实现前置抗混叠滤波，其阻带衰减最高可达67dB。

（2）抽取模块，用于实现对经过前置多级CIC模块初级滤波的高速采样数据的抽取，以满足后续FIR模块对采样率的要求。

（3）多级FIR滤波模块，主要用于实现精确滤波效果。本实施例中FIR滤波模块由3级可选FIR滤波器组成，而该级数由控制单元根据用户输入的带宽限制参数计算确定，启动的级数越多，能够实现的带宽限制频率越低。

本实施中，启用第1级FIR滤波器后可实现带宽限制范围为200MHz～5MHz，启用第1、2级后可实现5MHz～125KHz，启用第1、2、3级后可实现125KHz～1KHz。

（4）插值模块，主要用于对经过多级FIR滤波模块滤波后的数据进行采样率恢复，以满足后续数字信号处理需要；

（5）后置多级CIC滤波模块，主要用于对插值后数据进行平滑滤波处理，以达到滤波后波形平滑显示的效果，该模块同样由加法器、积分器和寄存器组成。

为节省可编程电路资源，本实施例根据Noble恒等式对所有的CIC滤波器进行变换，采用易于实现的Hogenauer滤波器结构。

5、延迟（Delay）控制单元，由于示波器往往具有多个通道，每个通道可独立配置带宽限制，该单元主要用于解决各通道间带宽限制不同时所引起的延时问题，以确保“已开启滤波通道”和“未开启滤波通道”信号之间的延时关系不变。延迟控制开关分散于各个滤波模块，带宽限制滤波单元中的所有滤波模块均配备有独立的延迟控制开关。需要说明的是，这里的控制开关并不需要用户控制，各个延迟控制开关与对应的滤波模块具有相同的延时节拍，多路输出信号之间的延迟关系得以保障。

本实施例中，模拟信号经过模拟通道进行调理后，由ADC进行数字量化，前置多级CIC模块实现对初步的带宽限制，抽取模块实现对前级数据的抽取操作，多级FIR滤波模块实现对信号进行精确的滤波，插值模块根据抽取倍数插入相应数量的零点，最后经多级CIC滤波模块完成平滑处理，输出即为最终的带宽限制信号。

实施例2 基于上述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置硬件设备，本实施例提供的带宽限制的数字滤波方法，包括以下步骤：

（1）用户通过示波器人机交互界面输入带宽限制数值；

（2）控制单元对带宽限制数值进行分析，按照既定的带宽限制档位计算所需CIC级数、抽样倍数、FIR滤波参数、插值倍数、后置CIC级数等，与此同时给出滤波效果模型，给出预期的滤波结果，如图3所示，以使用户在感官上有个直观的印象，避免误操作设置；

（3）数据接收单元对ADC量化后的数据进行接收，并整理成方便后续带宽限制滤波单元处理的数据格式，发送给带宽限制滤波单元；

（4）控制单元将滤波参数发送给可编程电路内的滤波参数接收单元，随后该单元重新启动示波器采集过程以使数字滤波生效；

（5）带宽限制滤波单元接收带控制单元发送的滤波参数，对各个滤波模块进行参数配置，对接收到的采集数据依次进行初级滤波、精确滤波，最后经平滑处理，输出最终的带宽限制信号。并根据需要自动将未启动的滤波模块旁路到延迟单元，这样 “已开启滤波通道”和“未开启滤波通道”之间的信号延迟关系依然能够得以保持。

实施例3 本实施例提供了本发明数字滤波装置及方法与传统模拟芯片带宽限制的对比测试。

测试场景为设置Fluke9500B输出600mVpp正弦波信号，频率从1MHz～500MHz，以1MHz为步进。分别测试采用模拟芯片带宽限制的示波器和采用本发明数字滤波装置的示波器，绘制幅度随频率变化的曲线即示波器幅频响应曲线。

测试结果如图4和5所示，采用本发明的装置及方法，其幅频响应曲线在20MHz通频带内表现得更加平坦，且下降到-70dB的时间很短，过渡带宽经实际测试仅有8MHz左右，明显优于传统模拟芯片实现带宽限制方法（过渡带宽>500MHz）。针对20MHz带宽限制情形，本发明在实际测试时的优势表现为：对20MHz以内的频率成分在幅频曲线上有着很好的平坦性，对20MHz以上的频率成分滤除效果明显，充分体现了示波器的带宽限制功能。

Claims (9)

1.一种用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于，包括：

控制单元，配置为接收用户设置的带宽限制命令和参数，控制带宽限制单元的运行；

数据接收单元，配置为对ADC量化后的数据进行接收，并整理成需要的数据格式；

滤波参数接收单元，配置为接收控制单元发送的滤波参数和控制命令，输出适配带宽限制滤波单元中各个滤波模块运行需要的各种参数和启动、停止状态控制命令；

带宽限制滤波单元，包括多级不同带宽限制的滤波模块，配置为在控制单元的控制下，对各个滤波模块进行参数配置，实现带宽限制下的数字滤波。

2.根据权利要求1所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的带宽限制滤波单元主要由多级FIR滤波模块级联组成，启动的级数越高，能够实现的带宽限制频率越低。

3.根据权利要求2所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的多级FIR滤波模块包括第1级FIR滤波器、第2级FIR滤波器和第三级FIR滤波器，其中，启用第1级FIR滤波器后可实现带宽限制范围为200MHz～5MHz；启用第1、2级后可实现5MHz～125KHz；启用第1、2、3级后可实现125KHz～1KHz。

4.根据权利要求2所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的带宽限制滤波单元还包括前置多级CIC模块，用于实现对高速ADC量化数据的前置抗混叠滤波。

5.根据权利要求4所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的前置多级CIC模块由5级可选的CIC滤波器级联组成。

6.根据权利要求5所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的带宽限制滤波单元包括抽取模块和插值模块；所述的带宽限制滤波单元还包括抽取模块和插值模块，所述的抽取模块用于抽取前置多级CIC模块的滤波数据，以满足多级FIR模块对采样率的要求；所述的插值模块主要用于对多级FIR滤波模块滤波后的数据进行采样率恢复。

7.根据权利要求6所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：所述的带宽限制滤波单元还包括后置多级CIC滤波模块，主要用于对插值后数据进行平滑滤波处理；所述后置多级CIC滤波模块的级数与前置多级CIC滤波模块的级数相同。

8.根据权利要求1-7任一项所述的用于示波器带宽限制的数字滤波装置，其特征在于：还包括延迟控制单元，所述延迟控制单元由多个延迟控制开关组成，每个延迟控制开关对应带宽限制滤波单元中的一个模块，用以确保“已开启滤波通道”和“未开启滤波通道”信号之间的延时关系不变。

9.一种用于示波器带宽限制的数字滤波方法，其特征在于，包括：

控制单元对用户输入的带宽限制数值进行分析，按照既定的带宽限制档位计算滤波参数：前置CIC级数、抽样倍数、FIR滤波级数与系数、插值倍数、后置CIC级数；

数据接收单元将接收的ADC量化后的数据整理成需要的数据格式，并发送给带宽限制滤波单元；

滤波参数接收单元接收滤波参数和控制命令，随后重新启动示波器采集过程；

带宽限制滤波单元根据接收的滤波参数，对各个滤波模块进行参数配置，对采集到的数据进行带宽限制下的滤波操作。

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