PSoC3和PSoC5的嵌入式數(shù)字濾波技術(shù)

我們嵌入了在整個(gè)線路頻率范圍上都超出了最嚴(yán)格的無功功率準(zhǔn)確度要求的 6 極點(diǎn) IIR 濾波器(圖 4 和圖 5)，從而避免使用會(huì)消耗整個(gè)系統(tǒng)處理功率的希爾伯特變換器方法。此外，我們的方法還具有低通特性，可大幅減弱電流波形中的諧波，使無功功率估算能獲得基本信息。

圖 4 和圖 5：頻率為 50Hz 的專用 n=6 嵌入式 IIR 精確正交生成器。

現(xiàn)代電表應(yīng)用中還有一個(gè)重要的頻率響應(yīng)整形電路，即補(bǔ)償 di/dt 類型電流感應(yīng)器(如羅氏線圈或 Sentec Mobius)頻率響應(yīng)所需的積分器。這種電路的低頻響應(yīng)上升會(huì)加重前端本身的低頻模擬噪聲問題。這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的有源功率測(cè)量不構(gòu)成問題，但客戶對(duì)擴(kuò)大電流檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的需求越來越高，以便確保電力基礎(chǔ)設(shè)施的視在功率和有效耗散得到準(zhǔn)確計(jì)算。在電流極低的情況下，積分器的噪聲組件會(huì)導(dǎo)致電流測(cè)量出現(xiàn)較高的誤差。

此外，由于增益不能無限上升，否則 DC 增益就會(huì)無限加大，因此積分器在傳統(tǒng)器件中會(huì)降低到較低的頻率，這就會(huì)產(chǎn)生對(duì)高精度應(yīng)用而言非常明顯的相誤差問題。為了支持 di/dt 感應(yīng)器的可選使用，我們?cè)O(shè)計(jì)了另一種 6 極點(diǎn) IIR濾波器，用來限制低頻響應(yīng)(根據(jù)前端設(shè)計(jì)的不同，集成噪聲性能提升了 9 ~ 15dB)，同時(shí)還能在工作頻帶中提供理想積分器的振幅和相響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)比作為參照的“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)量芯片(圖 6 中的綠色跡線)更高的準(zhǔn)確性。

上述所有信號(hào)處理工作都由數(shù)字濾波器塊在高品質(zhì) Δ-Σ 調(diào)制器提供的相關(guān)多路復(fù)用信號(hào)上自動(dòng)實(shí)施，不需要處理器的干預(yù)。

圖 6：嵌入式 IIR 濾波的高準(zhǔn)確度低噪聲積分器(藍(lán)色跡線)

通信濾波器和檢測(cè)器

IEC 61334-5 SFSK 電力線通信標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)量應(yīng)用中非常流行，它采用了 SFSK(Spread FSK)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是從 FSK(頻率移動(dòng)鍵控)發(fā)展而來的，其中標(biāo)記頻率和空間頻率的距離比通常的數(shù)據(jù)速率要大得多。如果抵達(dá)信號(hào)被一對(duì)銳帶通濾波器拆分，只挑出標(biāo)記或空間頻率分量，則數(shù)據(jù)調(diào)制就能從兩個(gè)通道之一中獨(dú)立提取出來。由于在濾波器頻率響應(yīng)不重疊的情況下，單音調(diào)干擾源不能同時(shí)阻止兩個(gè)通道的解調(diào)制，因此這有助于提高抗干擾能力?；谙嚓P(guān)器的傳統(tǒng) FSK 解調(diào)器不能實(shí)現(xiàn)這么出色的抗干擾性。

圖 7 和圖 8 顯示了常見標(biāo)記/空間頻率對(duì)情況下，一對(duì)設(shè)計(jì)用于數(shù)字濾波器塊的濾波器頻率響應(yīng)。上述濾波器可方便地進(jìn)行重新配置，隨時(shí)滿足不同頻率和帶寬要求。在實(shí)際實(shí)施方案中，濾波器從主 ADC之一獲得輸入，而在此之前需要通過圍繞 PGA(可編程增益放大器)構(gòu)建 AGC 電路。

圖 7和圖 8：60/73kHz SFSK 的嵌入式分割濾波器;2x n=8 IIR，速度為 384ksps。

為了從濾波后的信號(hào)中提取數(shù)據(jù)，要對(duì)每個(gè)信號(hào)的絕對(duì)值進(jìn)行校正(在數(shù)字濾波器塊中設(shè)置適當(dāng)控制寄存器位即可實(shí)現(xiàn))。

圖 9：極端過載條件下從兩個(gè)濾波器通道中檢測(cè)到的輸出

校正信號(hào)通過同樣運(yùn)行在數(shù)字濾波器塊上的低通濾波器，并同跟蹤信號(hào)電平的閾值進(jìn)行比較。在我們希望構(gòu)建的 PSoC5 實(shí)施方案中，每個(gè)通道的 SNR 由通用數(shù)字塊邏輯加以估算，數(shù)據(jù)傳遞給標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部UART，所有這些都無需 CPU 的一般干預(yù)。圖 9 顯示了交叉頻率為 66.5kHz 且存在 +30dB 干擾音時(shí)，在最終輸出處對(duì)調(diào)制信號(hào)檢測(cè)到的響應(yīng)。兩個(gè)數(shù)據(jù)流均未受影響。

精確音頻均衡器(圖形均衡、段均衡和任意均衡)

PSoC3 和 PSoC5 數(shù)字濾波功能結(jié)合靈活的可編程通用數(shù)字塊，可為消費(fèi)音頻產(chǎn)品和配件設(shè)計(jì)提供可擴(kuò)展的靈活平臺(tái)。為了演示 PSoC3 的音頻濾波功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款運(yùn)行在數(shù)字濾波器塊上的立體聲十頻段圖形均衡器，其濾波器系數(shù)由 CPU 通過遠(yuǎn)程應(yīng)用提供的目標(biāo)增益值即時(shí)計(jì)算得出。立體聲音頻編解碼器通過標(biāo)準(zhǔn)的I2S 接口連接到 PSoC3。該設(shè)計(jì)與通過單一本地晶體生成所有標(biāo)準(zhǔn)音頻主時(shí)鐘頻率的頻率合成系統(tǒng)共同實(shí)施在通用數(shù)字塊陣列上，其抖動(dòng)較低，能夠滿足優(yōu)質(zhì)音頻回放的要求。該合成系統(tǒng)可同步于一般數(shù)字接口格式的成幀模式。

圖 10和圖 11：PSoC3 中嵌入式濾波的觸摸控制頻率響應(yīng)

在 44.1kHz 采樣率下，十頻段立體聲均衡器使用數(shù)字濾波器塊大約一半的可用資源。系數(shù)計(jì)算例程可從本地控制(如 CapSense 按鈕和滑條)以及通過遠(yuǎn)程接口提供的控制協(xié)議動(dòng)態(tài)地獲得更新信息。圖 10 給出了演示應(yīng)用的屏幕截圖，該演示運(yùn)行在一款著名音樂播放器上，它嵌入了控制均衡器所設(shè)置的算法，可確保系統(tǒng)頻率響應(yīng)精確通過滑塊的“增益點(diǎn)”，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)。出于比較目的，圖 11 顯示了原始的濾波器模擬。這種超級(jí)精確的頻率響應(yīng)控制簡(jiǎn)化了“復(fù)雜的”喇叭外殼聲學(xué)設(shè)計(jì)，也有助于車內(nèi)駕駛員子系統(tǒng)和公共廣播應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作。

在用戶偏好均衡完成之后，數(shù)字濾波器塊還能剩下足夠的資源來實(shí)施多頻段交叉濾波器組。輸出結(jié)果可通過多個(gè) I2S 接口提供給外部 DAC 或數(shù)字放大器。我們可以通過驅(qū)動(dòng)頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)非常精微的控制，確保對(duì)接裝置、微型立體聲設(shè)備和平板電視等的小型多路聲學(xué)設(shè)計(jì)能獲得優(yōu)質(zhì)效果。通過管理用戶界面、通信和電源的同一設(shè)備，高通道數(shù)分布式音響加強(qiáng)和消息系統(tǒng)也能受益于這種簡(jiǎn)化的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)。

結(jié)論

本文僅簡(jiǎn)要介紹了嵌入式數(shù)字濾波技術(shù)。由于篇幅所限，我們沒有深入討論“立體聲增強(qiáng)”功能、數(shù)字麥克風(fēng)的抽選濾波器以及設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始在其中挖掘 PSoC3 和 PSoC5 強(qiáng)大信號(hào)處理功能的多種工業(yè)感應(yīng)器調(diào)節(jié)和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。