[发明专利]快速响应的数字抽取滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及数字集成电路设计领域，特别涉及一种用于测量系统中的Sigma-Delta数字抽取滤波器的设计方法与电路实现，具体讲，涉及快速响应的数字抽取滤波器。

技术背景

随着超大规模集成电路技术的飞速发展，采用一片式传感器信号采集和智能计算，可使系统具有更高的可靠性和更低的成本。如何用尽量简单合适的结构和低的功耗来实现系统需要的功能，成为科学研究和产品开发的热点。Sigma-Delta ADC（analog to digital converter，模数转换器）在高精度AD转换领域有着广泛的应用，并且在目前小尺寸CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体）工艺下能很好地集成在芯片系统中。Sigma-Delta ADC包含调制器和数字抽取滤波器两部分，其最重要的性质就是转换器的性能不依赖于模拟电路高度匹配，而依赖于实施过采样，噪声整形和高频噪声消除的数字抽取滤波器。这样就降低了模拟电路的设计要求，而对可靠性较高的数字滤波器提出了很高的设计需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种适用于测量系统的，响应速度快，精度高，功耗低的抽取滤波器，为此，本发明采用的技术方案是，快速响应的数字抽取滤波器，包括：第一级、第二级两级滤波器、开关Ψ1，开关Ψ2，当开关Ψ1导通，开关Ψ2截止时第一级滤波器对第二级滤波器直接进行寄存器复位，输出为第一级滤波器的结果；当开关Ψ1截止，开关Ψ2导通时是第一级滤波器作为前级级联第二级滤波器，输出为第二级滤波器的结果。

计数型滤波器作为第一级滤波器，以三阶COI（cascade of integrator，级联积分）滤波器为第二级滤波器。

开关动作时序关系为：第一级选择6位精度的计数型滤波器，第二级选择3阶COI滤波器，在每个检测周期最开始的64个采样周期Ψ1导通，Ψ2关断，输出为计数型滤波器的输出结果，同时计数型滤波器对COI滤波器直接进行寄存器复位，其余时间Ψ1关断，Ψ2导通，输出为COI滤波器的结果。

本发明具备下列技术效果：

本发明公开了一种针对直流测量系统中的sigma-delta ADC中快速响应的数字抽取滤波器。在检测周期最开始的若干采样周期直接用低位滤波器进行复位，使结果迅速达到一定精度，及时清除上一检测周期的信号，在结果达到一定精度后，通过时序控制调整滤波器结构，逐步逼近最终预定目标位数的精度，有效防止拖影现象的产生。

附图说明

图1常用数字抽取滤波器的结构框图。

图2应用于直流测量系统的sigma-delta ADC结构框图。

图3滤波器的级联与复用。

图4滤波器的级联与复用逻辑的时序控制（以整体AD12位第一级6位精度为例示意）。

具体实施方式

传统结构的Sigma-Delta ADC不能很好地适合仪器和测量领域。由于仪器和测量领域需要很高的绝对精度和线性度，非常低的偏移和增益误差，同时还要求大动态范围和高信噪比。在测量领域，对功耗的要求也很苛刻。由于sigma-delta ADC中的抽取滤波器需要完成过采样，噪声整形和高频噪声消除等任务，常用的滤波器多采用级联结构，级联结构的滤波器长度比较长，响应时间慢，导致当前的结果含有大量以前时刻的信息，在测量系统中会产生数据迟滞和误差，以下简称这种现象为“拖影现象”。为了防止这一现象的产生，本发明提出了一种适用于测量系统的，响应速度快，精度高，功耗低的抽取滤波器。

常用的Sigma-Delta ADC中的数字抽取滤波器组成如图1所示。抽取滤波器为直接三级级联结构，第一级CIC（cascade integrated comb,级联积分梳状）滤波器实现高倍降采样；第二级为FIR（finite impulse response,有限脉冲响应）滤波器实现进一步降采样，它由一个半带滤波器和一个用于幅度矫正的FIR滤波器合成，第三级滤波器为一个半带滤波器，实现最后的抽取过程。传统结构的sigma-delta数字抽取滤波器适用于音频处理领域，特点是可以很好地消除高频噪声，同时结构复杂带来了高功耗，高响应时间，拖影现象等问题。