PSoC3和PSoC5的嵌入式數(shù)字濾波技術

我們嵌入了在整個線路頻率范圍上都超出了最嚴格的無功功率準確度要求的 6 極點 IIR 濾波器(圖 4 和圖 5)，從而避免使用會消耗整個系統(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)代電表應用中還有一個重要的頻率響應整形電路，即補償 di/dt 類型電流感應器(如羅氏線圈或 Sentec Mobius)頻率響應所需的積分器。這種電路的低頻響應上升會加重前端本身的低頻模擬噪聲問題。這對標準的有源功率測量不構成問題，但客戶對擴大電流檢測動態(tài)范圍的需求越來越高，以便確保電力基礎設施的視在功率和有效耗散得到準確計算。在電流極低的情況下，積分器的噪聲組件會導致電流測量出現(xiàn)較高的誤差。

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

上述所有信號處理工作都由數(shù)字濾波器塊在高品質(zhì) Δ-Σ 調(diào)制器提供的相關多路復用信號上自動實施，不需要處理器的干預。

圖 6：嵌入式 IIR 濾波的高準確度低噪聲積分器(藍色跡線)

通信濾波器和檢測器

IEC 61334-5 SFSK 電力線通信標準在計量應用中非常流行，它采用了 SFSK(Spread FSK)標準。該標準是從 FSK(頻率移動鍵控)發(fā)展而來的，其中標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。如果抵達信號被一對銳帶通濾波器拆分，只挑出標記或空間頻率分量，則數(shù)據(jù)調(diào)制就能從兩個通道之一中獨立提取出來。由于在濾波器頻率響應不重疊的情況下，單音調(diào)干擾源不能同時阻止兩個通道的解調(diào)制，因此這有助于提高抗干擾能力?；谙嚓P器的傳統(tǒng) FSK 解調(diào)器不能實現(xiàn)這么出色的抗干擾性。

圖 7 和圖 8 顯示了常見標記/空間頻率對情況下，一對設計用于數(shù)字濾波器塊的濾波器頻率響應。上述濾波器可方便地進行重新配置，隨時滿足不同頻率和帶寬要求。在實際實施方案中，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中提取數(shù)據(jù)，要對每個信號的絕對值進行校正(在數(shù)字濾波器塊中設置適當控制寄存器位即可實現(xiàn))。

圖 9：極端過載條件下從兩個濾波器通道中檢測到的輸出

校正信號通過同樣運行在數(shù)字濾波器塊上的低通濾波器，并同跟蹤信號電平的閾值進行比較。在我們希望構建的 PSoC5 實施方案中，每個通道的 SNR 由通用數(shù)字塊邏輯加以估算，數(shù)據(jù)傳遞給標準內(nèi)部UART，所有這些都無需 CPU 的一般干預。圖 9 顯示了交叉頻率為 66.5kHz 且存在 +30dB 干擾音時，在最終輸出處對調(diào)制信號檢測到的響應。兩個數(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)字濾波功能結合靈活的可編程通用數(shù)字塊，可為消費音頻產(chǎn)品和配件設計提供可擴展的靈活平臺。為了演示 PSoC3 的音頻濾波功能，我們設計了一款運行在數(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 通過遠程應用提供的目標增益值即時計算得出。立體聲音頻編解碼器通過標準的I2S 接口連接到 PSoC3。該設計與通過單一本地晶體生成所有標準音頻主時鐘頻率的頻率合成系統(tǒng)共同實施在通用數(shù)字塊陣列上，其抖動較低，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

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)計算例程可從本地控制(如 CapSense 按鈕和滑條)以及通過遠程接口提供的控制協(xié)議動態(tài)地獲得更新信息。圖 10 給出了演示應用的屏幕截圖，該演示運行在一款著名音樂播放器上，它嵌入了控制均衡器所設置的算法，可確保系統(tǒng)頻率響應精確通過滑塊的“增益點”，并實時調(diào)節(jié)頻率響應。出于比較目的，圖 11 顯示了原始的濾波器模擬。這種超級精確的頻率響應控制簡化了“復雜的”喇叭外殼聲學設計，也有助于車內(nèi)駕駛員子系統(tǒng)和公共廣播應用的設計工作。

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施多頻段交叉濾波器組。輸出結果可通過多個 I2S 接口提供給外部 DAC 或數(shù)字放大器。我們可以通過驅動頻率響應實現(xiàn)非常精微的控制，確保對接裝置、微型立體聲設備和平板電視等的小型多路聲學設計能獲得優(yōu)質(zhì)效果。通過管理用戶界面、通信和電源的同一設備，高通道數(shù)分布式音響加強和消息系統(tǒng)也能受益于這種簡化的頻率響應調(diào)節(jié)技術。

結論

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