基于移動平均數(shù)原理的簡易誤差補償電路

David Vincenzoni，意法半導體研發(fā)設(shè)計工程師

前言

有時候我們需要進行某一個特定量級的測量，但是噪聲或偶發(fā)干擾引起的數(shù)據(jù)錯誤可能會影響測量。假設(shè)我們有一個參數(shù)測量電路，偶爾會記錄一個錯誤數(shù)值，這時我們就要以某種方式對測量值進行“過濾”，濾除記錄值中的錯誤數(shù)值。

本文將介紹一個能夠在噪聲環(huán)境中減少或濾除偶發(fā)錯誤測量值的數(shù)字電路。

智能移動平均數(shù)

延遲線(DL)電路是一個廣為人知的概念，是一個可將電信號延遲一段時間的邏輯元件。從DDR SDRAM (雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器)到DLL(延遲鎖相環(huán))，延遲線的應用范圍十分廣泛。在DL延遲線模塊內(nèi)，為生成一個確定性移相信號，我們需要設(shè)定邏輯元件的延時，并調(diào)整延時設(shè)置，以補償制程、電壓和溫度(PVT)對測量值的影響。

圖1: 延遲線示例

圖 1給出一個預定數(shù)量的延遲單元構(gòu)成的延遲線電路和通過配置字實現(xiàn)的反饋通道(Dfb)的示例，通過延遲配置字，可以在Din引腳輸入信號和Dout引腳輸出信號之間設(shè)定所需 延時。每個延遲單元在Din和Dl兩個引腳之間生成固定的通道延時。

我們可以通過多種方式計算符合理想延遲要求的配置字，計算已知時鐘延長一個周期所需延遲單元的數(shù)量就是其中一種方法。確定一個延遲單元的延時不難。圖2所示是這種計算方法的原理；ClkIN 是已知時鐘信號，輸出是延長一個周期的ClkIN信號。這個模塊的輸出(延遲單元的數(shù)量)用于確定延遲線的配置，如圖1所示。

圖2: 延遲配置字計算示例

如果噪聲或干擾在ClkIN上引起尖峰，測量精確度將會受到錯誤數(shù)據(jù)的影響。眾所 周知，錯誤的設(shè)置可能導致延遲線電路暫時性功能紊亂。假設(shè)在一段時間內(nèi)，參考周期比標稱值小很多或大很多，輸入延長線的新計算值將會與以前的數(shù)值有很大差異。圖1所示的DL將會生成一個錯誤信號，被隨機抖動信號吸收。

圖3中的示例描述了當參考時鐘ClkIN有一個大的峰對峰抖動脈沖時所發(fā)生的情況，這時延遲單元數(shù)量的計算值不同于標稱值。

圖3: ClkIN上的尖峰信號和錯誤延遲計算示例

對于這種問題，我們可以使用一個數(shù)字錯誤補償電路，通過智能方式計算這些數(shù)據(jù)的移動平均數(shù)。查看圖3示例中延遲計算值，錯誤數(shù)據(jù)(delay=15和delay=12)可以忽略丟棄，因為這些計算值遠遠小于平均數(shù)，同時可以使用新的采樣的平均數(shù)delay=30更新上一個平均數(shù)。

移動平均數(shù)的原理(圖4)是采集N個最新的測量值 ，然后計算這些數(shù)值的平均數(shù)。只有新數(shù)據(jù)值與上一次N個采樣的實際平均數(shù)差別不是很大時，新數(shù)據(jù)才會加進緩沖電路(Sx)。

圖4: 智能移動平均數(shù)電路

圖 4所未的有限狀態(tài)機(FSM)可以精確地管理這項任務，檢查每個新校準值，并將其與此時的平均數(shù)最大值和最小值進行對比。當新數(shù)值在設(shè)定范圍外時，新數(shù)據(jù)將被濾除，不加進移動平均數(shù)內(nèi)。

顯然這個電路是取模運算，但是保留已存儲采樣數(shù)量(Sx)的二次冪才是使運算邏輯最小化的最佳設(shè)置，這樣可以最大限度減少加法器元件數(shù)量，節(jié)省通用除法器。新輸入數(shù)據(jù)向右移兩位，執(zhí)行除四運算，零成本。

用于保存采樣的緩沖器(Sx)的容量是M-2，這里M 代表輸入數(shù)據(jù)總線位寬。該電路是由三個有進位功能的全加器組成，運算結(jié)果被有限狀態(tài)機用于檢查新輸入數(shù)據(jù)。

有限狀態(tài)機就是為該電路帶來一些智能的邏輯電路。圖5所示是有限狀態(tài)機的流程圖。

圖5: 智能移動平均數(shù)FSM

在啟動時，因為比較點沒有平均值可用，所以第一個數(shù)據(jù)保存在Sx緩沖器內(nèi)，代表初始瞬態(tài)值。當緩沖器寫滿數(shù)據(jù)時，開始計算平均值。當時鐘頻率高時，數(shù)據(jù)通道可能受到應力，為避免這個問題，可以加進一個小的計數(shù)器延遲。圖 5所示的AVERAGE代表穩(wěn)態(tài)。這里有限狀態(tài)機在等待一個新的數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)點將與下一個狀態(tài)上的平均值CHECK DATA對比。從硬件角度看，比較任務量不大，而且對濾除錯誤采樣很有效。數(shù)據(jù)比較過程與我們要測量的數(shù)據(jù)有關(guān)。當數(shù)據(jù)受到PVT影響時，例如，本文討論的延遲線，因為主要是溫度變化影響數(shù)據(jù)，所以數(shù)值變化比較小。在這種情況下，我們預計新輸入數(shù)據(jù)與前一個平均數(shù)和最新四個數(shù)據(jù)的平均值差別不大。對于這種特殊情況，可以采用下面方式完成數(shù)據(jù)比較過程：

·只比較最高有效位

·如果這部分與平均值相差不太大，新數(shù)據(jù)將被保存，同時平均值也會相應地更新

·如果這部分與平均值相差太大，新數(shù)據(jù)將被丟棄，平均值保持不變。

圖6給出一個比較表的示例。新輸入數(shù)據(jù)的可能取值范圍分成四部分，只有最高有效位用于數(shù)據(jù)比較，某些情況還需要檢查第三位。當新數(shù)據(jù)的最高有效位是“00”時，前四個采樣平均值的最高有效位在“00”和“01”之間是可以接受的。否則，新輸入數(shù)據(jù)將被丟棄。同樣，當輸入數(shù)據(jù)是“01”、“10、”、“11”時，新輸入數(shù)據(jù)將被丟棄。

圖6: 數(shù)據(jù)比較方法

結(jié)論

本文討論一個能夠濾除邏輯電路輸入數(shù)據(jù)受到各種干擾的數(shù)字電路，例如，濾除本文討論的延遲線輸入信號受到的干擾。這個智能移動平均數(shù)電路有助于降低干擾影響，不只是計算平均值，還能濾除可能嚴重影響移動平均數(shù)的錯誤采樣，錯誤采樣濾除規(guī)則取決于輸入數(shù)據(jù)的預計變化速率。在本文中我們看到，如果影響數(shù)據(jù)的因素是溫度，我們預計采樣變化率很小，在這種情況下，比較邏輯簡單，元件數(shù)量少。

計數(shù)平均數(shù)所需的元件數(shù)量還取決于錯誤數(shù)據(jù)的發(fā)生率；如果只是偶發(fā)錯誤，平均數(shù)邏輯單元數(shù)量就會少些(例如，圖4)；如果偶發(fā)錯誤發(fā)生率高，則必須提高緩沖器容量，使用8個或16個元件。