基于PSoC 的嵌入式數(shù)字濾波技術(shù)

　　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(lèi)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(wèn)題。這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的有源功率測(cè)量不構(gòu)成問(wèn)題，但客戶(hù)對(duì)擴(kuò)大電流檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的需求越來(lái)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(wú)限上升，否則 DC 增益就會(huì)無(wú)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)。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。基于相關(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(jiàn)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)需 CPU 的一般干預(yù)。圖 9 顯示了交叉-- 2010/6/29 19:33:09-->

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(guò)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2S 接口連接到 PSoC3。該設(shè)計(jì)與通過(guò)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(mǎn)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。

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　　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(guò)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(lè)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(guò)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(chē)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(hù)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(lái)實(shí)施多頻段交叉濾波器組。輸出結(jié)果可通過(guò)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(guò)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(guò)管理用戶(hù)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(méi)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(kāi)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。

　　嵌入強(qiáng)大的數(shù)字濾波引擎是 PSoC 設(shè)計(jì)理念的全新元素，它與業(yè)界領(lǐng)先的信號(hào)路徑靈活性、ADC 性能以及 PSoC3 和 PSoC5 的可編程邏輯塊多功能性完美結(jié)合。嵌入式數(shù)字濾波配合全新 PSoC Creator 設(shè)計(jì)范例可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用的轉(zhuǎn)型，并大幅降低系統(tǒng)成本，加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度