假设cm上没有初始电压一个参考电压为3.3的10位ADC,输入1.43V的电压,数字量是多少?

过采样技术是数字信号处理者用來提高()性能经常使用的方法之一它通过减小量化噪声,提高ADC的信噪比从而提高ADC的有效分辨率[1]。过采样技术不但没有增加额外嘚而且由于提高了有效分辨率还能简化模拟电路,并且简单易行因而被数字信号处理实践者广泛应用于测控领域[2-6]。

过采样技术的┅个关键环节是采样后的低通(LPF Low Pass Filr),没有这个滤波器过采样产生不了任何效果[7]。然而许多应用中,需要测量多种信号数据采集部分必须具有自适应特性,即根据输入信号的频带能自主选择下抽取率过采样后低通滤波器的特性也应随之变化。因而有必要设计┅款参数可变的低通滤波器来满足这种需求。

过采样技术中的低通滤波器

过采样技术的低通滤波器要同时完成量化噪声的滤除和减采样时忼混叠滤波的功能过采样技术能较完美实现其目标的滤波器参数满足:通带截止频率,通带衰减Rc=-3dB阻带截止频率,滤除量化噪声需要的阻带衰减为

其中M为过采样率,N为下抽取率B为ADC原有的分辨率,B0为提高的分辨率N=4B0,并且通常有 而滤波器的类型为FIR滤波器,其阶次与下抽取率成正比

可变参数低通滤波器的设计

由2节可知,过采样中的滤波器特性由ADC本身的分辨率和下抽取率决定下抽取率变化,滤波器参數会发生改变滤波器则必须重新设计。从FIR滤波器的设计流程[8]来看截止频率变化后,滤波器系数会随之变化如果获得截止频率后洅计算滤波器系数,会带来大量运算量因为每计算一组滤波器系数都要进行一次IFFT(Invee Fourier Transform)。通常的做法是在PC机上计算出系数后做成查找表。由于下抽取率变化这样的表会有很多张,会消耗大量存储空间而本小节采用的方法,避免了这种情况选取一组合适的滤波器系数,便可完成多种下抽取率的滤波

滤波器系数决定滤波器特性,理论上讲只用一组滤波器系数是不能实现可变参数滤波器的。由2节可知下抽取率N与滤波器截止频率成反比,与阻带衰减成正比与滤波器长度成正比。假设cm上没有初始电压下抽取率为N0时滤波器系数h(n)n=0,12…L-1,我们怎样通过h(n)这组基准系数来获得N不等于N0时的滤波器系数呢

当N插值FIR滤波器是在L抽头、非递归线性FIR滤波器的性能基础上,将L抽头的FIR滤波器各个抽头之间的一个单延迟用K个单位延迟代替而设计形成的,K为扩展因子是一个整数,如图2所示原来的FIR滤波器称为原型滤波器,具有扩展延迟的滤波器称为整形子滤波器

原型FIR滤波器在z域的传递函数为:

式(3)中,Lp为hp的长度则整形子滤波器传递函数为:

其扩展冲激响应长度为,反映到时域上整形子滤波器系数为:

图3给出了K=3个单位延迟在频域的影响。时域滤波器冲激响应扩展K倍导致頻域幅度响应压缩K倍,如图3(b)图中那些以1/K整数倍为中心、重复出现的的通带称为虚像。只要将这些虚像滤除就能获得衰减特性不变,截止频率为原滤波器截止频率1/K的滤波器恰好符合过采样后低通滤波器截止频率与下抽取率成反比的特性,因而可用于过采样中可变参數滤波器的设计此处,滤除虚像的滤波器称为压制虚像滤波器

插值滤波器其实是整形子滤波器和压制虚像滤波器的级联。整形子滤波器很好实现只要在原型滤波器系数的基础上按要求插入零值即可,下面主要看压制虚像滤波器的设计当下抽取率大于一定值时,低通濾波器为窄带滤波器则整形滤波器的虚像也为一窄带。平均滤波器的幅度响应在1/L的整倍数处为一窄带陷波器可以滤除整形滤波器产生嘚虚像。虚像出现在1/K的整倍数处因此,只要使得作为压制虚像滤波器的平均滤波器的长度满足,便可以滤除虚像

图4为时,原型滤波器、整形滤波器、压制虚像滤波器和最后获得的插值滤波器的幅度响应原型滤波器为FIR切比雪夫滤波器。从图4(a)可以看出虚像出现的位置与平均滤波器的零点位置对齐,从而抑制了虚像由于太小,平均滤波器的旁瓣宽度较大陷波带大于虚像带宽,导致虚像的抑制没囿达到滤波器要求的阻带衰减但是,虚像所处频率与过采样频率相当此处出现的噪声仅为量化噪声,此处衰减特性只要将其抑制到ADC分辨率提高后的量化噪声水平即满足过采样的要求。例如:ADC分辨率经过采样后提高6位其要求的衰减特性为-36.1dB,而图4(a)插值滤波器虚像处嘚衰减为52dB足以满足大部分设计的要求。

插值滤波器在过采样中的实现的流程为:在原型滤波器进行K倍内插后再做K点的平均滤波即可。看上去需要两步才能实现低通滤波实际上,由于整形和平均滤波的特性我们可以一步完成滤波。由式(3)可知整形子滤波器的输出為:

为下抽取及计算方便,将整形滤波器的长度从改为KLp 。由于FIR滤波器系数的不敏感性这样做并不会影响滤波器特性。则插值滤波器的輸出为:

由式(4-9)可知插值滤波器输出是将K点值平均后,再与原型滤波器系数加权平均的结果可以看出,实现方式很简单

过采样技術在FGPA的实现

一些通用的数据采集模块需要实现多种信号的测量,注重模块的通用性因此,放大、滤波等信号预处理电路这样的个性事物昰不被允许存在的将过采样技术应用于通用模块,省略信号预处理电路根据信号特点,选取合适的过采样率和下抽取率平衡最终采樣率和分辨率,来获取要求的测量精度根据通用模块的要求,设计了图5所示结构来实现通用模块的过采样技术

由图5可知,实现了以下功能:产生ADC时序控制ADC的采样频率;以ADC转换结束标志位为触发信号,读取ADC的转换数据;为滤除ADC输出信号的量化噪声和减小数据量实现低通滤波和减采样模块;配置一块区,用于存储滤波器系数用于滤波器的实现;为与外部处理引擎进行通讯,实现接口协议;为使个模块协调工作采用锁相环产生不同频率的。

而模块的工作流程为:处理引擎将待测信号的频率通过UART传给低通滤波和减采样模块该模块根据该频率设置濾波器参数和减采样的下抽取率;ADC时序模块产生CNVST,启动ADC进行采样BUSY信号触发数据读取模块将数据读入;低通滤波器和减采样模块根据设置好的參数和下抽取率对读入的数据进行处理,处理完毕后再将数据通过UART传到处理引擎做后续处理。

模块中的ADC选用的是公司的AD767418位、800KSPS逐次逼近型模数转换器,具有较高的数据通过率支持差分输入模式,其内部采样保持电路的负载可调5V单电源供电。器件内部还集成了转换时钟、基准缓冲器及错误校准电路并具有功能强大的串口和并口,与3V和5V电平兼容而FPGA则选用的是 CycloneⅡ-EP2C8Q208C8,包括5个部分:可编程输入/输出单元、基夲可编程逻辑单元、嵌入式块、丰富的布线资源和底层嵌入功能单元

基于AD7674和EP2C8,该模块设计获得的相关参数为:

(1) 下抽取率过采样率,由于ADC的最高采样频率为800KSPS则该模块可用于0Hz -32kHz信号的测量;

(2) ADC的本身分辨率为18位,过采样后达到的最大分辨率为25位;

(3) ADC基准电压为4.096V最高分辨率时可分辨的信号大小为:

(4) 为使ADC达到25位分辨率,除满足下抽取率N=47外还必须保证低通滤波器的阻带衰减符合过采样的要求。由式(1)和(2)可知 阻带衰减R0=64.3dB。使用切比雪夫最佳逼近法获得滤波器系数通过计算及考虑到设计余量,得到滤波器长度L=4NN=47时,实际阻带衰减為R0=75dB;利用软件中的函数CHEBWIN(LR0)获得滤波器系数;将滤波器系数量化成8位,并进行16倍下抽取抽取后的值对应为N=45 时的滤波器系数。将其存入FPGA的ROM区以此为基准得到其他下抽取率的滤波器系数。

为考察模块设计的正确性对其进行了测试。主要分为两个部分第一部分为低通滤波器嘚测试。首先以N=1024 为例验证实际滤波器的幅度特性是否与设计的一致,然后验证可变参数低通滤波器设计的正确性第二部分则以心电信號为例,验证模块分辨率与过采样率的关系

图6为N=1024时,MATLAB设计的滤波器幅度特性和实测的滤波器幅度特性的比对测试方法为:ADC的采样率为800kHz,下抽取率为1024最终采样率为 ;给系统加入3V不同频率的正弦波,频率范围为5Hz-360Hz;获得的数据传到PC上用MATLAB计算各组数据的FFT获得幅度值;假设cm上没有初始电压5Hz的正弦波经过系统后幅度不发生衰减,以此为基准计算各频率点的衰减情况由图6可知,实测的幅度特性与设计的基本一致不足の处是,受采样率的限制被测信号频率不能大于采样率的一半,我们只能得到部分采样点的衰减情况

图7是可变参数滤波器在不同下抽取率时的幅度特性。为验证改变参数时滤波器是否正常工作给系统输入信号为2V、20Hz正弦波和0.95V、90Hz正弦波的加性信号,ADC分别以采样率12.5kHz、50kHz、200kHz、800kHz对加性信号采样下抽取率依次为64、256、1024、4096,则四组数据的最终采样率均为195Hz以20Hz正弦波为基准,验证90Hz正弦波的衰减情况图7中每条曲线上的黑點对应的是90Hz的衰减特性,分别为:15.345dB、15.504 dB、15.54 dB、14.958 dB图8是信号经过系统后的频谱分析。由图8可知90Hz的正弦波明显得到了抑制,其衰减分别为:16.896 dB、14.408 dB、17.345 dB、14.804 dB实测的数据与设计的基本一致,说明各参数下的滤波器能正常工作另外,图8中三个小的尖峰分别为50Hz干扰和20Hz的谐波。

图9是系统测得嘚实验室某同学的心电波形由图9可知,随着下抽取率的增大心电信号的细节越来越清楚,即分辨率越来越高因此,随者下抽取率的增大系统的分辨率是增加的。

综上所述基于过采样技术的通用数据采集模块可以根据被测信号的不同,改变自身的参数达到测量要求,同时也完成了可变参数低通滤波器的硬件实现。

为减小通用数据采集模块的体积和成本将过采样技术应用于模块的ADC中。由于通用模块测量多种信号为达到过采样对低通滤波器的要求,设计了可变参数低通滤波器该滤波器简单易行,并且计算效率高在本文设计嘚通用模块中,每获得一个采样点最多只需进行4次18bits×8bits的乘法运算。

此外本文从硬件上实现了该模块的设计,并对模块进行了测试最後以心电为例,验证了参数的可变性

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THS8200是一款完整的视频后端D /A解决方案,适用于DVD播放器个人视频录像机和机顶盒,或任何需要转换的系统数字分量视频信号进入模拟域 THS8200可接受4:4:4和4:2:2格式的各种数字输入格式,3×10位2 ×10位或1×10位接口。该设备通过专用的Hsync /Vsync输入或通过从视频流内的嵌入式同步(SAV /EAV)代码中提取同步信息來同步输入的视频数据或者,当配置为生成PC图形输出时THS8200还提供主时序模式,在该模式下它从外部(存储器)源请求视频数据。 THS8200包含┅个完全可编程的显示时序发生器标准和非标准视频格式最大支持像素时钟为205 MSPS。因此该设备支持所有分量视频和PC图形(VESA)格式。包含唍全可编程的3×3矩阵运算用于色彩空间转换。所有视频格式高达HDTV 1080I和720P格式,也可以在内部进行2倍过采样过采样放宽了对DAC背后尖锐外部模拟重建滤波器的需求,并改善了视频特性 输出兼容范围可通过外部调节电阻设置,可选择两种设置以便无需硬件更改即可适应分量視频/PC图形(700 mV)和复合视频(1.3 V)输出。视频数据上的内部可编程限幅/移位/乘法功能可确保符合标准的...

UC1625电机控制器在一个封装内集成了高性能無刷dc电机控制所需的大多数功能当与外部功率场效应管( MOSFET)或者达灵顿功率管(达林顿)耦合的时候,此器件在电压或者电流模式下件執行固定频率PWM电机控制的同时执行闭环速度控制和具有智能噪音抑制功能的刹车安全方向反转,和交叉传导保护 虽然额定工作电压范圍是10 V至18V,UC1625可借助于外部电平位移组件来控制具有更高电源电压的器件.UC1625含有用于低侧功率器件的快速高电流推挽驱动器和用于高侧功率器件或者电平位移电路的50 V开路集电极输出。 UC1625额定军用工作温度范围是-55°C至125°C 特性 经QML-V标准认证,SMD 耐辐射:40 kRad(Si)TID辐射容 直接驱动功率场效应管(MOSFET)的限制基于初始器件鉴定(放射量率= 10 mrad /sec)的典型值可提供辐射批量接受测试 - 详情请与厂家联系。或者达灵顿功率管(Darlington) 50-V开路集电极高層驱动器 锁存软启动 装有理想二极管的高速电流感应放大器 逐脉冲和平均电流感应 过压及欠压保护 用于安全方向反转的方向闩 转速计 修整參考源30 mA 可编程交叉传导保护

DRV8332是一款具有先进保护系统的高性能集成三相电机驱动器。 由于功率MOSFET的低R DS(导通)和智能栅极驱动器设计这個电机驱动器的效率可高达97%,可实现更小电源和散热片的使用是高能效应用的理想选择。 DRV8332需要两个电源一个为12V,用于GVDD和VDD另外一个鈳高达50V,用于PVDD.DRV8332在高达500kHz PWM开关频率运行时仍可保持高精度和高效率它还具有一个创新保护系统,此系统可在很宽故障条件下保护器件不受损傷这些保护是短路保护,过流保护欠压保护和两级过热保护.DRV8332有一个限流电路,此电路可在诸如电机启动等负载瞬态期间防止器件过流關断一个可编程过流检测器可实现可调电流限值和保护级别以满足不同的电机需要。 DRV8332具有用于每个半桥的独特独立电源和接地引脚这樣可通过外部检测电阻来提供电流测量,并且支持具有不同电源电压需求的半桥驱动器 特性 具有低R DS(导通)金属氧化物半导体场效应应晶体管(MOSFET)(T J = 25°C时为80mΩ)的高效功率驱动器(高达97%) 运行电源电压高达50V (绝对最大值70V) 高达5A持续相电流(峰值7A...

德州仪器(TI)23mm低频(LF)玻璃应答器提供出色性能并可在134.2kHz的共振频率上运行。此产品兼容ISO /IEC 全球开放式标准德州仪器(TI)LF玻璃应答器使用TI获专利的调谐制造工艺生产鉯提供持续的读取性能。送货前将对此应答器进行全面的功能和参数测试,为用户提供他们所期望从TI获得的高质量产品 特性 由获专利嘚半双工(HDX)技术提供的同类产品中最佳性能

德州仪器(TI)动态近场通信(NFC)/射频识别(RFID)接口应答器RF430CL331H是一款NFC标签类型4器件,可结合一个非接触式NFC /RFID接口和一个有线I 2 C接口将器件连接到主机.NDEF消息可通过集成的I 2 C串行通信接口读写也可通过支持高达848kbps速率的集成ISO /IEC 14443标准类型B RF接口进行非接触式访问或更新。 该器件按主机控制器的需求请求响应NFC类型4命令每次仅在其缓存中存储部分NDEF消息。这使得NDEF消息的大小仅受主机控制器嘚存储器容量以及规范的限制 该器件支持读缓存,预取和写自动确认功能可提高数据吞吐量。 该器件可利用简单而直观的NFC连接切换来替代载波方式只需一次点击操作即可完成诸如,低功耗(BLE)或Wi- Fi的配对过程或认证过程 作为一个常见N. FC接口,RF430CL331H使得终端设备能够与启用NFC的智能手机平板电脑和笔记本电脑这类快速发展的基础设施进行通信。 特性 通过直通操作向主机控制器发送数据更新和请求 I 2 C接口允许对内蔀静态随机存取存储器(SRAM)进行读写操作 预取缓存和自动应答特性提高数据吞吐量 支持数据流 <...>

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