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应用于电能计量芯片中Σ-△ADC的数字抽取滤波器的设计

归档日期:07-04       文本归类:定点运算      文章编辑:爱尚语录

  r)作为智能电网的终端计量仪器,不仅需要能够精确计量用户的用电信息,而且还需各种通信功能,如。电力线载波等,以实现自动化远程管理。因此,智能电表在整个智能电网的建设中起着关键性作用。而对于智能电表的核心---电能计量专用芯片(Electrical Measurement Unit,EMU)也提出了更高的要求。目前计量芯片的模数转换

  在Sigma-Delta ADC 中,功耗主要集中在降采样滤波器 。而滤波器的功耗主要由乘法器决定,因此如何减少滤波器中乘法器的个数成为降采样设计的研究重点.HOGENAUE 提出了级联积分梳状滤波器(Cascaded Integrator Com,CIC),由于CIC滤波器无须乘法运算,因此与传统通过FIR 滤波器直接降采样相比,极大地降低了面积与功耗。然而当降采样率较大时,单级CIC 滤波器却无法满足要求,且功耗也相对较大。多级采样交换理论及多相原理从而降低乘法运算次数,该方法的难点在于多相因子的不确定性,且不同的多相因子得到的滤波器结构不一样,功耗也不一样。串行算法实现CIC 从而降低功耗,但串行方法不适合计量芯片中并行的数据处理。文中提出了一种级联抽取的方法,不仅结构简单,也易于实现,完全满足电能计量的需求。前级为CIC 滤波器,后级为HBF 滤波器,实现128 倍的抽取。由于HBF 只适用于2 倍抽取,因此前级CIC 降采样率为64 倍。对HBF 的非零系数采用有符号CSD 编码,进一步减少了电路功耗。

  降采样的倍数为R,相对于积分级,梳状级的采样频率为FS / R,它的传递函数:

  其中M 为延迟因子,控制梳状级的频率响应,在设计中,M 的取值一般为1 或2.

  CIC 滤波器的优点是结构非常有规律,由若干级积分级与梳状级级联组成,且内部无须乘法运算,因此,在变速率系统中得到了广泛的应用。但随着降采样率的增加,内部寄存器的宽度以及功耗将会成倍的增加。电能计量芯片Sigma – Delta 的采样频率为1792kHz,后续数字信号处理的频率为14kHz,因此,在本设计中,为了实现128 倍的降采样,采用了分级抽取的方法。降采样滤波器的总体框架如图2 所示 。

  由于Σ-△为二阶调制器,因此,三阶CIC 滤波器即可达得很好的抽取效果。假定延迟因子为1,则内部寄存器的长度L = (N*(log2R ) + 1) 为19bit.采样定点算法,内部寄存器量化为Sfix34. En15,输出为Sfix24. En23.由CIC 滤波器的结构以及幅值响应公式可知,当R 足够大时,信号通过CIC 滤波器时,幅值将会被放大[RM]N 倍,此设计中为643 ,因此,需将CIC输出右移18 位,消除增益对信号的影响。图3 为通过MATLAB仿线. 1)幅频特性曲线 半带滤波器的设计

  第二级的抽取滤波器用于衰减经过第一级梳状滤波器后混叠在基带内的信号分量和量化噪声分量。由于电能计量对信号有严格的线性相位要求,所以必须采用FIR 型滤波器。半带滤波器是一种特殊的线性相位滤波器,它的偶数系数都为零(中间位系数为0. 5),因此其实现滤波的运算量与同样长度的其它线性相位滤波器相比减少一半,这将进一步减小芯片面积。降低电路的功耗。

  综合考虑芯片面积以及系统的频率响应,HBF 设定为6 阶。考虑到正弦信号的高次谐波以及CIC 补偿滤波器的通带频率,HBF 的通带频率设定为2. 5kHz.

  HBF 的运算包括乘法以及加法,而乘法运算的功耗最大。传统的乘法运算采用移位相加的原理,相加次数等于乘数中1 的个数,因此减少乘数中1 的个数即可降低乘法电路的功耗.CSD 编码正好满足这一要求,经过CSD 编码后,将乘法系数中1 的个数降到最低,从而减少加法(或减法)的次数.CSD 编码含三重值{1,0,-1},编码原则是从最低有效位开始,用100…0(-1) 来取代所有大于2 的1 序列。例如上述HBF中乘法系数b (3)= 0. 02,量化后b(3)= 48′h24EC98258D1E(Sfix48_En47),则对应的CSD 编码b (3)= 0+00+0+000-0-00+0+0-00000+0+0-0-00+0-0+00+000-0(“+”表示1,“-”表示负1)。

  x(n)*b(3) = – (x(n) 《 《 1) + x(n) 《 《 5 + x(n)《 《 8 – (x(n) 《 《 10) + x(n) 《 《 12 + … + x(n)《 《 40 + x(n) 《44,因此,经CSD 编码后, b (3)的乘法运算变成只有10 次加法和7 次减法运算,与传统的移位相加相比,减少了运算的次数,从而降低了HBF 的功耗。

  当R 足够大时,补偿滤波器的响应接近反SINC 函数,因此补偿滤波器也称之为反SINC 滤波器。

  在图3 中,衰减点在1kHz 左右,而从图5 中可以看出,加入补偿滤波器后,衰减点出现在2. 5kHz 左右,因此,补偿滤波器可以很好地克服由于CIC 滤波器在通带内幅值衰减的问题。

  为14kHz.CIC 滤波器的降采样率R =64.根据经验,当CIC 滤波器的阶数比Sigma-Delta 调制器的阶数高一阶时可以达到较好的效果,因此,本CIC 滤波器设定为3 阶,延迟因子为1.半带滤波器采样频率为28kHz,通过MATLAB仿线kHz 可以满足系统要求。在实验过程中利用

  本设计根据电能计量芯片的要求,对Sigma-Delta降采样滤波器进行优化设计。由于单级CIC 滤波器在实现高倍降采样率时功耗大,效果不理想,因此,本设计对128 倍的降采样进行分级抽取,前级采用CIC 滤波器进行64 倍抽取,后级采用半带滤波器实现2 倍抽取。在HBF 的实现过程中采用对称结构以及CSD 编码,减少运算过程中乘法的次数以及乘法运算过程中移位相加次数,降低了电路功耗。与传统方法相比,经优化后,电路面积减少8% ,功耗降低15% .

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  信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留

  8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...

  CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护

  - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...

  信息 MC10 / 100EP32是一个集成的2分频器,具有差分CLK输入。 V 引脚是内部产生的电源,仅适用于该器件。对于单端输入条件,未使用的差分输入连接到V 作为开关参考电压。 V 也可以重新连接AC耦合输入。使用时,通过0.01μF电容去耦V 和V ,并限制电流源或吸收至0.5mA。不使用时,V 应保持开路。复位引脚是异步的,并在上升沿置位。上电时,内部触发器将达到随机状态;复位允许在系统中同步多个EP32。 100系列包含温度补偿。 350ps典型传播延迟 最大频率

  4 GHz典型 PECL模式工作范围:V = 3.0 V至5.5 V V = 0 V NECL模式工作范围:V = 0 V ,其中V = -3.0 V至-5.5 V 打开输入默认状态

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