基于PSoC 的嵌入式数字滤波技术

嵌入式多相内插滤波器消除了偏差。

　　用于功率计的其他滤波器

数字滤波器块在我们的计量设计中还提供了另外两种有用的滤波器功能。首先，为了支持“经典”基本无功功率的准确计算，我们采用了计算机优化的相移滤波器。大多数商业计量芯片都使用时间延迟或积分器来提供所需的 90 度相移。前一种方法的振幅特性曲线是平的，但在线路频率值不准确时会造成相移不准。后一种方法会出现相反的问题，也就是说，相总是准确的，但振幅则会根据频率出现变化，这样导致的结果是它只能满足要求最不严格的计量应用，但对其他应用都不适用。上述两种方法对我们来说都不适用。

我们嵌入了在整个线路频率范围上都超出了最严格的无功功率准确度要求的 6 极点 IIR 滤波器（图 4 和图 5），从而避免使用会消耗整个系统处理功率的希尔伯特变换器方法。此外，我们的方法还具有低通特性，可大幅减弱电流波形中的谐波，使无功功率估算能获得基本信息。

　　图 4 和图 5：频率为 50Hz 的专用 n=6 嵌入式 IIR 精确正交生成器。

　　现代电表应用中还有一个重要的频率响应整形电路，即补偿 di/dt 类型电流感应器（如罗氏线圈或 Sentec Mobius）频率响应所需的积分器。这种电路的低频响应上升会加重前端本身的低频模拟噪声问题。这对标准的有源功率测量不构成问题，但客户对扩大电流检测动态范围的需求越来越高，以便确保电力基础设施的视在功率和有效耗散得到准确计算。在电流极低的情况下，积分器的噪声组件会导致电流测量出现较高的误差。

此外，由于增益不能无限上升，否则 DC 增益就会无限加大，因此积分器在传统器件中会降低到较低的频率，这就会产生对高精度应用而言非常明显的相误差问题。为了支持 di/dt 感应器的可选使用，我们设计了另一种 6 极点 IIR滤波器，用来限制低频响应（根据前端设计的不同，集成噪声性能提升了 9 ~ 15dB），同时还能在工作频带中提供理想积分器的振幅和相响应，实现比作为参照的“标准”计量芯片（图 6 中的绿色迹线）更高的准确性。

上述所有信号处理工作都由数字滤波器块在高品质 Δ-Σ 调制器提供的相关多路复用信号上自动实施，不需要处理器的干预。

　　图 6：嵌入式 IIR 滤波的高准确度低噪声积分器（蓝色迹线）

　　通信滤波器和检测器

IEC 61334-5 SFSK 电力线通信标准在计量应用中非常流行，它采用了 SFSK（Spread FSK）标准。该标准是从 FSK（频率移动键控）发展而来的，其中标记频率和空间频率的距离比通常的数据速率要大得多。如果抵达信号被一对锐带通滤波器拆分，只挑出标记或空间频率分量，则数据调制就能从两个通道之一中独立提取出来。由于在滤波器频率响应不重叠的情况下，单音调干扰源不能同时阻止两个通道的解调制，因此这有助于提高抗干扰能力。基于相关器的传统 FSK 解调器不能实现这么出色的抗干扰性。

　　图 7 和图 8 显示了常见标记／空间频率对情况下，一对设计用于数字滤波器块的滤波器频率响应。上述滤波器可方便地进行重新配置，随时满足不同频率和带宽要求。在实际实施方案中，滤波器从主 ADC之一获得输入，而在此之前需要通过围绕 PGA（可编程增益放大器）构建 AGC 电路。

　　图 7和图 8：60/73kHz SFSK 的嵌入式分割滤波器；2x n=8 IIR，速度为 384ksps。

为了从滤波后的信号中提取数据，要对每个信号的绝对值进行校正（在数字滤波器块中设置适当控制寄存器位即可实现）。

　　图 9：极端过载条件下从两个滤波器通道中检测到的输出

校正信号通过同样运行在数字滤波器块上的低通滤波器，并同跟踪信号电平的阈值进行比较。在我们希望构建的 PSoC5 实施方案中，每个通道的 SNR 由通用数字块逻辑加以估算，数据传递给标准内部UART，所有这些都无需 CPU 的一般干预。图 9 显示了交叉-- 2010/6/29 19:33:09-->

频率为 66.5kHz 且存在 +30dB 干扰音时，在最终输出处对调制信号检测到的响应。两个数据流均未受影响。

精确音频均衡器（图形均衡、段均衡和任意均衡）

PSoC3 和 PSoC5 数字滤波功能结合灵活的可编程通用数字块，可为消费音频产品和配件设计提供可扩展的灵活平台。为了演示 PSoC3 的音频滤波功能，我们设计了一款运行在数字滤波器块上的立体声十频段图形均衡器，其滤波器系数由 CPU 通过远程应用提供的目标增益值即时计算得出。立体声音频编解码器通过标准的I2S 接口连接到 PSoC3。该设计与通过单一本地晶体生成所有标准音频主时钟频率的频率合成系统共同实施在通用数字块阵列上，其抖动较低，能够满足优质音频回放的要求。