DE3020238A1

DE3020238A1 - Multiple filter circuit - has low-pass filter pairs connected to differential amplifiers with suitably timed multiplexer switches

Info

Publication number: DE3020238A1
Application number: DE19803020238
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. 8014 Neubiberg Reiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE3020238C2

Abstract

This circuit, with filters selected by multiplexer switches, dispenses with pre-filtering by including as many differential amplifiers as there are filters. Each differential amplifier receives the output of two filters with a specific phase relationship and corresp. timing of the multiplexer switches. An even number of switches (TPi) is connected to an equal number of identical differential amplifiers (Dij) in such a way that corresp. filters are connected to the non-inverting and inverting inputs of an amplifier. The inputs are f/2 out of phase, where f equals the sampling frequency.

Description

N-Pfad-FilteranlageN-path filter system

Gegenstand der Erfindung ist die Verbesserung einer sog. N-Pfad-Filte ranl age. N-Pfad-Filteranlagen und deren Arbeitsprinzip sind z.B. in "Electronics" (November 15, 1965), Vol. 38, No. 23, S. 117/118, oer in "Frequenz" Bd. 20, Nr. 12 (1966), S.- 396-406, beschrieben.The object of the invention is to improve what is known as an N-path filter ranl age. N-path filter systems and their working principle are e.g. in "Electronics" (November 15, 1965), Vol. 38, No. 23, pp. 117/118, or in "Frequency" Vol. 20, No. 12, pp. 396-406 (1966).

Die bekannte N-Pfad-Filteranlage ist-im Blockschaltbild in Fig. 1 und ihr Signalverhalten-in Abhängigkeit von der Frequenz f in Fig. 2 dargestellt. Zunächst wird auf diese beiden Figuren eingegangen.The known N-path filter system is shown in the block diagram in FIG. 1 and their signal behavior as a function of the frequency f shown in FIG. These two figures will be discussed first.

Bei einer N-Pfad-Filteranlage üblicher Struktur sind zwischen dem Signaleingang E und dem Signalausgang A eine Anzahl N von einander gleichen- und parallel zueinander verlaufenden Filterwegen vorgesehen, die im Multiplex-Zeitverfahren an den Signaleingang E und den Signalausgang A geschaltet werden. Im Beispielsfalle wird dies durch zwei synchron rotierende Schalter SI und S2 geleistet, die derart aufeinander abgestimmt sind, daß jeweils nur ein Filter-Pfad zugleich am Eingang E und am Ausgang A liegt, während alle übrigen Pfade vom Eingang E und vom Ausgang A abgeschaltet-sind. Auf diese Weise kommt eine Abtastwirkung inbezug auf das jeweils am Signaleingang E anhängige Signal zustande, so daß jeweils ein Abschnitt dieses Signals über je einen der N vorgesehenen Filter-Pfade TPi (i = 1, 2,.....N) der Filteranlage zum Ausgang A gelangt. Die-N Filter-Pfade TP,. sind vorzugsweise durch je einen Tiefpaß gegeben.In the case of an N-path filter system, the usual structure is between the Signal input E and signal output A are equal to a number N of each other and parallel filter paths are provided that use the multiplex time method can be switched to signal input E and signal output A. In the example case this is done by two synchronously rotating switches SI and S2, which are in such a way are coordinated so that only one filter path at the same time at the input E and at the output A, while all other paths from the input E and from the output A are switched off. In this way there is a sensing effect in relation to each pending signal at the signal input E, so that in each case a section of this Signal via one of the N provided filter paths TPi (i = 1, 2, ..... N) of the Filter system reaches output A. The -N filter paths TP ,. are preferably through each given a low pass.

Die dem Filter-Pfad TPi zugeordneten Stellungen der beiden Schalter S1 und 52 sind mit dem jeweiligen Index i des zugehörigen Filter-Pfades TPi bezeichnet. Dieselbe Bezeichnung gilt im folgenden auch für den Signalausgang des betreffenden Filter-Pfades.The positions of the two switches assigned to the filter path TPi S1 and 52 are denoted by the respective index i of the associated filter path TPi. In the following, the same designation also applies to the signal output of the relevant Filter path.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des bekannten N-Pfad-Filters ist als 8-Pfad-Filter ausgelegt, wobei aber nur die Filter-Pfade TP1, TP4, TP5 und TP8 dargestellt sind. Die Ergänzung der Fig. 1 bezüglich der noch fehlenden Filter-Pfade TP2, TP3, TP6 und TP7 ergibt sich aufgrund der bisherigen Ausführungen ohne weiteres-.The embodiment of the known N-path filter shown in FIG. 1 is designed as an 8-path filter, but only the filter paths TP1, TP4, TP5 and TP8 are shown. The addition to FIG. 1 with regard to the still missing filter paths TP2, TP3, TP6 and TP7 result from the previous explanations without further ado.

Das Verhalten des Signalausgangs A inbezug auf die Frequenz f der anhängigen Signale ist aus Fig. 2 ersichtlich.The behavior of the signal output A in relation to the frequency f the pending signals can be seen from FIG.

Man erhält eine typische Bandfilterwirkung mit Kammstruktur. Da man häufig daran interessiert ist, nur einen Frequenzbereich hindurchzulassen und die übrigen DurchlaBbereiche zu unterdrücken, wird man in einem solchen Fall zwischen dem Signaleingang E und dem Eingangs schalter S1 ein die unerwünschten Frequenzbereiche unterdrückendes Vorfilter VF vorsehen. Außerdem wird man zumeist - im Interesse hoher Abtastgeschwindigkeiten-die beiden Schalter S1 und S2 durch taktgesteuerte elektronische Multiplex- und Demultiplexanlagen ersetzen. Die Filter-Pfade TP. sind ebenfalls auf elektronischer Grundlage aufgebaut und können z.B. als CCD-Filter ausgestaltet sein, die vomselben Takt wie die beiden Schalter S1 und S2 gesteuert sind.A typical band filter effect with a comb structure is obtained. Since you is often interested in only passing one frequency range and the In such a case, one has to choose between the signal input E and the input switch S1 on the unwanted frequency ranges Provide suppressing pre-filter VF. Besides, one will mostly - in the interest high scanning speeds - the two switches S1 and S2 by clock-controlled replace electronic multiplex and demultiplex systems. The filter paths TP. are also built on an electronic basis and can be used, for example, as a CCD filter be designed controlled by the same clock as the two switches S1 and S2 are.

Da es-sich bei der Ausgestaltung der N Filter-Pfade, z.B.Since the design of the N filter paths, e.g.

auf Grundlage einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung, um bekannte Materie handelt und die Erfindung unabhängig von ihrer jeweiligen Realisierung die angestrebten Vorteile bringt,- kann von weiteren Einzelheiten bezüglich der Ausführung der Schalter S1 und S2 sowie der vorgesehenen Filter-Pfade TPi abgesehen werden.based on a monolithically integrated semiconductor circuit, is known matter and the invention is independent of its implementation brings the desired benefits, - may be of further details regarding the Execution of the switches S1 and S2 as well as the provided filter paths TPi apart will.

Die an die Filtereigenschaften eines zur Unterdrückung der aus Fig. 2 ersichtlichen Kammstruktur des Freouenzverhaltens einer N-Pfad-Filteranlage zu stellenden Anforderungen werden umso höher, je näher die benachbarten Neben-Durchlaßbereiche an dem beabsichtigten Soll-Durch- laßbereich liegen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die.The filter properties of a to suppress the from Fig. 2 apparent comb structure of the frequency behavior of an N-path filter system The closer the adjacent secondary passbands, the higher the requirements at the intended target leave area. As shown in Fig. 2 is the.

Abtast-Freauenz fT, also die Frequenz mit welcher der jeweilige Filter-Pfad TPi am Signaleingang E und am Signalausgang A der Filteranlage liegt, entscheidend für das Durchlaßverhalten der Anlage, da diese den Frequenz gang des einzelnen Filter-Pfades TPi auf die Umgebung der Freauenzen f = g-tF ( mit g = 1, 2, 3,...) abbildet.Sampling frequency fT, i.e. the frequency with which the respective filter path TPi at the signal input E and at the signal output A of the filter system is decisive for the transmission behavior of the system, as this changes the frequency response of the individual filter path TPi maps to the surroundings of the fruities f = g-tF (with g = 1, 2, 3, ...).

Es wäre deshalb ein Gewinn, wenn man auf verhältnismäßig einfache Weise den Durchlaßbereich bei f = 0 und bei = = gfT mit jedemgeradzahligen g unterdrücken könnte.It would therefore be a gain if one were to go on a relatively easy one In this way, suppress the pass band at f = 0 and at = = gfT with every even-numbered g could.

Dann könnte man nämlich mit einem weniger aufwendigen Vorfilter VF den gewünschten Soll-Durchlaßbereich- abtrennen bzw. ggf. auf ein Vorfilter VF ganz verzichten.Then you could use a less complex pre-filter VF cut off the desired target passband or, if necessary, use a pre-filter VF entirely waive.

Mit der Lösung dieser Aufgabe befaßt sich die Erfindung.The invention is concerned with solving this problem.

Die Erfindung betrifft somit eine N-Pfad-Filteranlage, welche erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine gerade Anzahl N von einander gleichen Filter-Pfaden und eine ebenso große Anzahl von einander gleichen Differenzverstärkern vorgesehen ist, däß ferner der erste Eingang jedes dieser Differenzverstärker mit dem Ausgang je eines. ersten Filter-Pfades und der zweite Eingang jedes dieser Differenzverstärker mit dem Ausgang je eines zweiten Filter-Pfades verbunden ist, daß dabei die auf diese Weise zu je einem Paar miteinander kombinierten Filter-Pfade derart ausgewählt sind, daß die Zeitpunkte der eingangsseitigen Beaufschlagung der beiden an den einzelnen Differenzverstärkern liegenden Filter-Pfade gegeneinander um die Zeitspanne t ( 1/2fT) verschoben sind und daß schließlich anstelle einer unmittelbaren Verbindung zwischen den Ausgängen der einzelnen Filter-Pfade mit je einem Eingang der die Verbindung zum Signalausgang der N-Pfad-Filteranlage bildenden Multiplex-Schaltanlage der Ausgang der vorgesehenen Differnzverstärker an je einen Eingang der Multiplex-Schaltanlage gelegt ist. Die vorzugsweise als Tiefpaßfilter ausgestalteten einzelnen Filter-Pfade TPi weisen eine möglichst übereinstimmende Charakteristik auf.The invention thus relates to an N-path filter system which, according to the invention characterized in that an even number N of filter paths that are equal to one another and an equally large number of identical differential amplifiers are provided is, that the first input of each of these differential amplifiers is also connected to the output one each. first filter path and the second input of each of these differential amplifiers is connected to the output of a second filter path that this on selected in this way for a pair of filter paths combined with one another are that the times of the input side exposure of the two to the individual Differential amplifiers lying filter paths against each other by the time period t ( 1 / 2fT) are shifted and that finally instead of an immediate connection between the outputs of the individual filter paths, each with an input of the connection the output to the signal output of the N-path filter system forming the multiplex switchgear the intended differential amplifier to one input each of the multiplex switchgear is laid. The individual filter paths, which are preferably designed as low-pass filters TPi have a possible matching characteristics.

Die Erfindung wird nun anhand der Fig. 3, 4 und 5 näher beschrieben. Dabei stellt Fig. 3 das durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme erreichte Frequenzverhalten der N-Pfad Filteranlage, Fig. 4 den AuSbau der erfindungsgemäßen N-Pfad-Filteranlage im Blockschaltbild und Fig.5 ein Beispiel für die Differenzbildung bei drei verschiedenen Signalfrequenzen in einer Filteranlage gemäß der Erfindung dar.The invention will now be described in more detail with reference to FIGS. 3, 4 and 5. 3 shows what is achieved by applying the measure according to the invention Frequency behavior of the N-path filter system, FIG. 4 shows the structure of the invention N-path filter system in the block diagram and Fig. 5 an example of the difference formation at three different signal frequencies in a filter system according to the invention represent.

Die in Fig. 4 dargestellte Struktur eines der Erfindung entsprechenden 8-Pfad-Filters entspricht im Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Anlage. Hinzu kommen noch N einander gleiche Differenzverstärker Di @ wobei die Differenz der beiden Indizes i und j durch den jeweiligen Wert von N/2 ohne Rest teilbar ist. Da in den in Fig. 4 angegebenen Beispielsfall N=8 ist, hat man also 8 Differenzverstärker, also die Differenzverstärker D15, D51, D26, D62, D37, D73 und D48, D84.The structure shown in Fig. 4 of a corresponding to the invention The structure of the 8-path filter corresponds to that of the system shown in FIG. 1. To be added still N identical differential amplifiers Di @ where the difference between the two Indices i and j is divisible by the respective value of N / 2 without a remainder. Since in the In the example given in Fig. 4, N = 8, there are 8 differential amplifiers, So the differential amplifiers D15, D51, D26, D62, D37, D73 and D48, D84.

Entsprechend der oben gegebenen Definition der Erfindung sind den beiden Filter-Pfade' TPi und TP in praxi jeweils zwei Differenzverstärker Dij und Dji zugeordnet, -wobei im Falle des Differenzverstärkers Di der Ausgang i des Fiiter-Pfades TPi am '+"-Eingang, also am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers und der Ausgang j des Filter-Pfades TPå am "-" Eingang, also am invertierenden Eingang dieses Differenzverstärkers Di liegt. Im Falle des Differenzverstärkers Dåi ist die Anschalung der Ausgänge i und j der beiden Pfade TPi und TP gerade umgekehrt. Es ist also jedem Filter-Pfad TPi je ein Paar Differenzverstärker Di und Dji und jedem Differenzverstärker D. je ein Paar Filter-Pfade TPi und TP zugeordnet. @ Bei der Zuordnung in allen Fällen ist darauf zu achten, daß j = i+N/2 ist.According to the definition of the invention given above are the two filter paths' TPi and TP in practice two differential amplifiers Dij and Dji assigned, -which in the case of the differential amplifier Di the output i of the filter path TPi at the '+ "input, i.e. at the non-inverting input of the differential amplifier and the output j of the filter path TPå at the "-" input, that is to say at the inverting input this differential amplifier Di is located. In the case of the differential amplifier Dåi is the connection of the outputs i and j of the two paths TPi and TP is reversed. So there is a pair of differential amplifiers Di and Dji and in each filter path TPi each differential amplifier D. is assigned a pair of filter paths TPi and TP. @ At For the assignment in all cases, care must be taken that j = i + N / 2.

Ebenso wie bei Fig. 1 ist bei Fig. 4 von der Dårstellung der Anschaltung der Filter-Pfade TP2, TP3,TP6 und TP7 im Interesse der Übersichtlichkeit abgesehen. Aus demselben Grund sind auch die Differenzverstärker D26 und D62 sowie D37 und D73 nicht eingezeichnet. Ihre Anschaltung ergibt s'ch unmittelbar aus der Definition der Erfindung.As with Fig. 1, Fig. 4 shows the connection the filter paths TP2, TP3, TP6 and TP7 apart in the interest of clarity. For the same reason, the differential amplifiers D26 and D62 as well as D37 and D73 not shown. Your connection results directly from the definition the invention.

Da aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines N-Pfad-Filters nicht das über die N vorgesehenen Filterpfade TPi geführte Teilsignal sondern jeweils nur die die Differenzspannung zwischen den Ausgängen i'und und zweier um je 1800 gegeneinander verschoben-getasteter-Filter-Pfade TP. und TPj im Multiplex-Zeitverfahren an den Signalausgang A der Anlage gelangt, erhält man effektiv eine N-Pfad-Filteraniage, bei der der Durchlaß in der Umgebung der Freuqnzen f = = 2pfT (mit p = 0, 1, 2,..Because of the inventive design of an N-path filter not the partial signal routed via the N provided filter paths TPi but in each case only the difference voltage between the outputs i 'and and two by 1800 each Filter paths TP that are shifted relative to one another and that are keyed. and TPj in multiplex time reaches the signal output A of the system, one effectively obtains an N-path filter system, where the passage in the vicinity of the frequencies f = = 2pfT (with p = 0, 1, 2, ..

gesperrt ist und demgemäß nur Freqzienzen aus - der Umgebung von f = (2p + 1)#fT durchgelassen werden. Für diese steht außerdem am Eingang des Differenzverstärkers Dij die doppelte Spannung zur Verfügung. Dieses Verhalten einer Anlage gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, -so daß also dank der Anwesenheit dank der im Vergleich zu cinem aufwendigen Vorfilter VF mit wesentlich geringerem Aufwand zu erstellenden Differenzverstärker Dij die Durchlaßbereiche wesentlich weiter auseinander liegen, als dies bei der Charakteristik gemäß Fig. 2 der Fall ist.is blocked and accordingly only frequencies out of - the vicinity of f = (2p + 1) #fT can be passed. This is also available at the input of the differential amplifier Dij twice the voltage available. This behavior of a system according to the Invention is shown in Fig. 3, so that thanks to the presence thanks to the Compared to a complex pre-filter VF with significantly less effort Differential amplifier to be created Dij the passbands much further apart lie than is the case with the characteristic according to FIG.

Legt man dem Eingangssignal einen sinusförmigen Zeitverlauf gemäß U = U#sin(2#f#t + #) zugrunde, so ergibt sich für die Differenzspannung zwischen den Eingängen der einzelnen Differenzverstärker Di jeweils die Relation #U = ##sin(2#f#t + #) - ##sin(2#f#t +# + #(f/fT)).If you put a sinusoidal time curve according to the input signal U = U # sin (2 # f # t + #) then results in the differential voltage between the inputs of the individual differential amplifiers Di each have the relation #U = ## sin (2 # f # t + #) - ## sin (2 # f # t + # + # (f / fT)).

Hieraus folgt, daß für (f/fT) = 2p - mit p = 0, 1, 2,...-die Differenzspannung #U den Wert "0" hat, wie dies auch aus Fig. 5 ersichtlich ist.From this it follows that for (f / fT) = 2p - with p = 0, 1, 2, ...- the differential voltage #U has the value "0", as can also be seen from FIG.

Für das in Fig. 4 dargestellte Z-Pfad-Filter entsprechend der Erfindung hat man im Falle f = 0 an keinem der möglichen Abtastpaare i,j eine Differenzspannung 4U. Im Falle f = fT hat man die maximale Differenzspannung zwischen den Pfaden TPi und TP. mit j = i + 4, wenn vom Pfad TP.For the Z-path filter according to the invention shown in FIG. 4 In the case of f = 0, there is no differential voltage at any of the possible sample pairs i, j 4U. In the case of f = fT one has the maximum differential voltage between the paths TPi and TP. with j = i + 4 if from the path TP.

1 1 gerade das Maximum des Signals abgetastet wird. Im Falle f = 2fT hat man zwischen den Ausgängen der Filter-Pfade TP. und TP. mit j = i + 4 wiederum keine Differenzspannung (Fig.5). 1 1 the maximum of the signal is being sampled. In the case of f = 2fT is between the outputs of the filter paths TP. and TP. with j = i + 4 again no differential voltage (Fig. 5).

Die Differenzverstärker D. - weisen selbst einen bestimmten Frequenzgang auf. Man kann daher die Differenzverstärker D1j so gestalten, daß sie die Aufgaben der Filter-Pfade TPi wenigstens zum Teil übernehmen können.The differential amplifiers D. - themselves have a specific frequency response on. One can therefore design the differential amplifier D1j so that it can perform the tasks of the filter paths TPi can at least partially take over.

5- Figuren 4 Patentansprüche5- Figures 4 claims

Claims

Claims 1. N-path filter system, characterized in that an even number N of equal filter paths (TPi) and an equally large one Number of equal differential amplifiers (D. j) is provided that further the first input (+) of each of these differential amplifiers (Dij) with the output (i) a first filter path (TPi) and the second input of each of these differential amplifiers (D..) Is connected to the output of a second filter path (TPj) that thereby the filter paths (TPi, TPj) combined in this way to form a pair are selected such that the times of the input-side loading of the two filter paths (TPi, TPj) connected to the individual differential amplifiers (Di) are shifted from each other by the time span + (1 / 2fT) (fT = sampling frequency) and that finally instead of an immediate connection between the outputs (i) of the individual filter paths (TPi) and one input each (i) of the connection to the signal output (A) forming multiplex switchgear (S2) the output of the intended Differential amplifier (D..) To one general input each of this multiplex switchgear (S2) is placed.

2. Plant according to claim 1, characterized in that that the differential amplifier (D..) Are generally added to a filter in the same way.

3. Plant according to claim 2, characterized in that an essential Part of the filter function of the individual filter paths (TPi) in the respectively assigned Differential amplifiers (Dij).

4. Plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the individual filter paths are designed as low-pass filters.