1导言
一个模仿集成运算放大器可完结一个二阶滤波器，高阶滤波器可由二阶滤波器串联而成。但是，无源元器材完结滤波器的差错值为1．5％或更高，这需求进步元器材的功用。滤波器的典型的调试办法是不断的替换元器材值。并且，运算放大器要取得高的增益带宽，需求相位漂移坚持最小或要坚持闭环体系的安稳，这必定添加工程中完结滤波器的难度。
跟着数字信号处理的开展，数字滤波器比传统的模仿滤波器在规划的挑选中更有吸引力。由于数字体系的信号是数字量，他相对于模仿滤波器更简略进行滤波代数运算。并且，数字滤波器没有模仿滤波器随时刻、温度、电压漂移的长处。他能很简略地完结过滤低频信号的规划意图。还有，数字滤波器能完结近似的抱负呼应和线性的相位。
2几种数字滤波器算法
有许多好的办法确认滤波器的算法。首要，规划人员估量要规划的滤波器的功用，由传递函数完结。接连时刻域的传递函数改换成离散时刻域的线性差分方程，这个差分方程在Z域的通式如下：
这是冲激传递函数方程。他实践是接连时刻域的滤波器的单位冲激呼应在Z域的改换式。相反，滤波器的冲激呼应是Z域的单位冲激函数的反改换。系数an和bn决议数字滤波器的呼应。改动系数就能改动滤波器的呼应。Z一n和Z一m项表明分支的推迟或锁存。G（Z）方程表明对输入信号进行代数运算。输入信号与do相乘加上采样值与dl的乘积再加上采样值与d：的乘积，如此类推。当一切N项完结乘积与累加运算，则就核算出了输出值。一起，输出值被锁存，别离与b0，b1，b2，…，bm系数相乘，然后把乘积累加起来，再与原输出的累加值相加得出终究的输出值。这个进程称作回旋。一个输出值由每个输入值核算而得。
设定滤波器的系数是规划滤波器的要害，由于他能规划出估计的频率呼应。递归数字滤波器或无限冲激呼应滤波器（InfiniteImpacTIveReacTIon，IIR）是规划研讨办法和模仿滤波器最附近似的典型数字滤波器。
一种确认系数的办法是先确认一个能在接连时刻域完结Chebyshev，Butterworth或等纹波的滤波器，然后用Z改换把接连时刻域的传递函数转化为离散时刻域的传递函数，这样滤波器系数就可确认。
第二个常用办法是运用双方改换。这个办法的进程是工程师先规划一个模仿滤波器，这是为了将来改动数字滤波器；规划的模仿滤波器满意要求的数字滤波器的功用指标；这个模仿滤波器经过5变量的拉普拉斯改换再经Z变量的Z改换就转化成了数字滤波器。
第三种办法称为Parks-McCcllean法。在这个办法中，带通滤波器和带阻滤波器的边际和阶数是确认的。冲激呼应系数被体系修正以便在每个近似的带通中取得一个等纹波功用。运用这种办法，滤波器在阶数方面不是很先进。因此需有一个捷径来确认滤波器的阶数，且这个捷径能削减经过运用方程来确认一个满意功用指标的阶数。有限冲激呼应滤波器和无限冲激呼应滤波器都有各自的长处和缺陷。有限冲激呼应滤波器的功用安稳，由于他没有输出反应量且冲激呼应是有限的；他的起伏和相位是恣意设定的。另一方面，有限冲激呼应滤波器一般需求数量较多的分支抽头。因此，输出值需经很多的代数运算。他的规划办法与模仿滤波器的规划办法不附近似。无限冲激呼应滤波器需求很少的系数，但要输出反应使得电路变得复杂。假如由于数字运算差错不能挑选恰当的系数，安稳的无限冲激呼应滤波器变得不安稳。在规划数字滤波器中发生的4种首要差错，他们都是量化差错：
①输入信号的模数转化量化差错；
②系数的量化差错；
③由于数字运算，包含溢出发生的量化差错；
④有限循环量化差错。
有各式各样的核算机软件协助工程师规划滤波器，如美国亚特兰大信号处理公司的规划软件DFDP。
3运用可编程逻辑器材规划有限冲激呼应滤波器
图1为运用可编程逻辑器材规划有限冲激呼应滤波器的功用模块图。
为了有高的功用和较强的灵活性，在滤波器的规划中运用可编程逻辑器材。有限的参数将进行乘法／累加的运算，分支抽头将占用硬件很多的物理空间。电路规划运用一个作业速度为85ns的单口16b乘法／累加器，这个器材可作业在双数运算状况和饱满输出才干。由于器材的微码根底使得他很简略被可编程逻辑器材操控。
首要，体系有必要把N（N=64）个采样值装入行列FIFO（在反应发生之前），不然行列就装不满。计数器在20RAl0中正常作业。一个6b异步计数器运用4b。SMP-DN随时钟作业（模数转化器完结采样值转化），最高的2b作为纹波计数器。SMP_DN信号由20RAl0发生，但由模数转化器触发。
当计数器的计数值为63时，样本值已被保存在移位／坚持寄存器中；GO信号变为真，体系开端滤波算法运算。体系与2个异步的子体系相联（模数转化器、乘法／累加器），两者之间必有一个异步接口。20RAl0用于发生接口信号SMP／CON（采样形式和转化形式）。这个引脚为高电平，体系为采样形式（SMP／CON＝1）。当GO为真且模数转化器的时钟为下降沿时，则SMP／CON为低电平（与MCLK异步，与SCLK同步）。由于SMP／CON信号作为状况机的输入，器材或许遇到颤动输入。LatTIce公司的可编程逻辑器材有很高的作业速度，他的去颤动输入才干较强。由于去颤动技能的运用，使得数据丢掉的状况的概率变得很小。因此状况机不得不等候，至多等一个MCLK周期再开端改换。当改换开端，把采样值装入乘法／累加器；然后，把系数装入乘法／累加器进行乘法累加运算，直到N个采样值都完结运算。这时输出有用，循环可重新开端。这个进程可用有8个状况的状况机来表明。
状况机依据代码状况的正确与否来操控乘法／累加器的状况改动。2个输出使能信号XOE和YOE-MCDN操控是否把数据装入乘法／累加器。CON_DN信号表明N个采样值已转化完结。为了使状况位（XOE，YOE_MCDN，CON_DN）发生输出，运用了状况变量（SEBIT）。假如状况变量为被运用，那是不答应有2个状况位被强行置为相同的状况。在规划中运用LatTIce公司的可编程逻辑器材上电复位功用，在高电平后寄存器被置为0，精心规划的状况机处于开端状况。
除了重新开端置数阶段，每时每刻都发生SMP_DN信号（采样值进行模数转化）。当SHIT_IN信号置位时采样值从移位／坚持寄存器移入行列。每逢XOE置位时一个系数装入乘法／累加器。开端转化的第一个XOE信号在开端置数或采样模位式移人行列阶段一向坚持到新的数据装入移位／坚持寄存器。跟下来的XOE信号是YOE_MCDN信号（Y输出使能信号和乘法／累加器使能信号）。YOE_MCDN操控行列数据输出和数据装入移位／寄存器的并行操作。接着一个采样信号从行列中移出。这时下一个数据移人移位／坚持寄存器的XOE已预备好了，体系如此循环。直到SMP／CON信号变为采样形式，新的采样值被移人移位／坚持寄存器，循环又重新开端。SMP／CON信号输入到状况机，答应体系重新开端循环。这个操控信号由形式操控器发生。当转化结束时用TC来指示（结尾计数值）。TC信号由6b系数计数器发生，当计数值为63时TC信号有用，他阐明一切的64个采样值已完结运算。ORDY信号由行列发生。他告知状况机行列中的采样值是有用的。状况机不断地把系数送入乘法／累加器直到ORDY信号为真。这时状况机将会转向下一个状况。假如乘法／累加器的循环时刻不超越行列的运用时刻，状况机以为这是输入状况ORDY信号将会一向为真。
改动乘法／累加器的指令只须简略地改动输出不同值的变量的代码。假如运用了E2CMOS器材，可方便地再编程和放回电路中。由Lattice公司出品的E2CMOS的22V10便是用于这种用处的可重复编程的器材。
双64BX8b的行列器材用于滤波器的分支抽头。行列装入N个采样值。这个采样值被移出行列移进乘法／累加器进行处理，一起这个采样值也保存在移位／坚持寄存器中然后移回到行列中下一个被移人乘法／累加器进行处理的采样值的前面。在一切的N个采样值都被处理完，旧的采样值被移出行列，新的经模数转化的采样值被装入行列。这时乘法／累加器输出一个滤波器成果。可编程逻辑器材可作为数字滤波器与模数转化器的接口；数字滤波器的暂时贮储器和行列的操控器。
移位／坚持寄存器可由20V8完结。在采样形式（SMP／CON=1），器材的功用为移位寄存器。20V8在模数转化器的操控下串行输入数据，这时20V8处于坚持形式，数据不会丢掉。当体系进人转化形式（SMP／CON=0），数据马上被并行置入移位／坚持寄存器。系数被保存在用可编程逻辑器材仿制成的ROM中。假如运用E2CMOS器材，滤波器的系数可很简略的改动只需重编可编程器材。地址计数器用于取得系数的正确次第。由于64抽头需求64个系数，64个系数只需6b地址。6b系数地址计数器可在22V10中完结。6b系数地址计数器是由计数使能信号操控的同步计数器。他的时钟与乘法／累加器的时钟信号同步。计数器的使能端与乘法／累加器的XOE相联。因此计数器只要在一个系数移入乘法／累加器时才计一次数。当计数值到达63时TC信号变为真，阐明64个系数已运算完。复位端变为高电平，计数器又处于已知的开端状况。
剩余的4个逻辑微单元用于发生行列的操控信号，这些信号是异步的。信号由体系是否处于开端置数、采样、转化–包含移入、移出和移位／坚持寄存器的时钟信号的发生的状况决议。当转化开端，状况机设置CONV_DN和MCLK信号，SMP／CON被MCLK信号同步置位。这些信号使得移位／坚持寄存器的时钟信号CLKIN发生改动，寄存器在模数转化器的操控下移入有用的采样值。
4一个详细的有限冲激呼应滤波器
体系需求133个MCLK完结一次循环转化。运用11．7MHz的时钟，这个进程需求花费约11．4μs。体系的模数转化器经过一个串行口输人数据到移位／坚持寄存器需花费3．3μs。体系采样输入信号的周期为11．4+3．3=14．7μs或频率68kHz。奈奎斯特（Nyquist）定理说一个信号要高于他的2倍采样信号采样才干坚持信号信息的完整性。因此一个信号被滤波则体系器材的作业频率为34kHz。运用ASPI公司的软件，运用Parks-McCcllean办法规划滤波器。他的中心频率为20kHz，带宽为5kHz，传输区域从2kHz开端，如图2所示。
由于运用了可编程逻辑器材，使得上述体系有限冲激呼应滤波器很简略改为无限冲激呼应滤波器。在新的采样值输入进行列之前，终究的输出值被送会行列。假如进步体系的功用，要运用存储容量更大的行列器材和速度更快的乘法／累加器。由于运用了速度为15ns的可编程逻辑器材，所以这些器材不再是约束要素。假如运用并行模数转化器，64BX8b行列器材和45ns的乘法／坚持累加器；体系不经很大改动就可到达167kHz的作业频率。
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