通用計數器中的程式控制濾波器設計

一、引言
    當被測信號通過計數器的整形電路時，被測信號上疊加的雜訊可能使比較器的輸出信號翻轉，形成寄生輸出脈衝，從而造成計數誤差。雜訊信號引起的寄生輸出脈衝平均周期為
Tn = V_n(RMS) /R               （1）
    式中V_n(RMS) 為疊加在被測信號上的RMS雜訊電壓，R為被測信號的擺率。當被測信號為正弦波時，比較器採用過零觸發，則有
Tn =Tx V_n(RMS) /(2πVm)               （2）
    式中Vm為被測信號電壓振幅，Tx為被測信號周期。
    由上式可以看出，被測信號的周期越高（頻率越低），幅度越小，則寄生脈衝引起的計數誤差就越大。
    在測量過程中為了濾除雜訊干擾，通常採取兩種方法對信號進行濾波：一種是在整形電路之前進行模擬濾波，這適用於輸入信號頻率較高的情況；另一種則是在整形電路之後進行數字濾波，這適用於輸入信號頻率較低的情況。本文將介紹我們在計數器設計中採用過的一種程式控制數字濾波器。

二、程式控制數字濾波器工作原理
    程式控制數字濾波器由一個MC14490電路和程式控制分頻器組成，其輸入信號來自計數器的整形電路。MC14490是Motorola公司生產的用於消除信號抖動的電路，共有六組輸入輸出，每組都有一個4 位寄存器(積分器)和將輸入與移位寄存器的內容相比較的邏輯單元。移位寄存器通過一串定時脈衝將輸入信號移位到寄存器的各個位。定時脈衝可以由片內的振蕩器產生（見圖1），也可以由外部時鐘電路產生經振蕩器輸入端輸入。 
 
    濾波器的基本工作原理是：如果定時脈衝來時，輸入信號的當前狀態與寄存器以前的狀態一致，就將移位寄存器每一位的狀態后移一位，這樣，如果輸入狀態在連續四個定時脈衝周期不發生變化，則移位寄存器的每一位的狀態都一樣，信號最終經反向器輸出；如果在此期間輸入狀態發生變化，則移位寄存器的每一位都被恢復到原來的寄存器輸出狀態，以上過程重新開始。在輸入與輸出信號之間的時間疇（time distortion）變數依賴於輸入信號邊沿上的抖動特性以及時鐘信號的頻率。因此，為了獲得沒有抖動的輸出信號，時鐘頻率就需滿足一個條件：在連續四個時鐘脈衝周期內，輸入信號不能有變化。因此，改變振蕩器輸入端輸入的時鐘信號的頻率也就是改變了去抖電路低通濾波器的截止頻率。此外，在計數器中還有一個程式控制分頻器，其輸出接到MC14490的振蕩器輸入端。程式控制分頻器可受CPU控制，從而實現了程式控制低通濾波。
 
    圖2為濾波器工作時序圖。假設當移位寄存器所有位均輸入低電平時，信號最終輸出為高電平；反之，輸出信號為低電平。在時鐘脈衝1的下降沿，輸入信號已達低電平，一個高電平就輸入至該移位寄存器的第一位，當這一脈衝的下降沿過去時，輸入信號又轉為高電平，引起移位寄存器的所有位複位至低電平，於是一個時序重新開始。在時鐘脈衝3至6的上升沿之間，輸入信號保持低電平，因此高電平被傳至移位寄存器的所有的四個位上，到下一個時鐘脈衝的上升沿期間，輸出轉為低電平。N+1個時鐘脈衝過去后，輸入抖動為低電平，寄存器所有位都置於高電位；在N+2個脈衝到來時，狀態不發生變化，這是因為輸入輸出都是低電平，且該移位寄存器的所有位均為高電平；在N+3個脈衝以後，輸入信號為清晰的高電平信號；到N+6個脈衝的上升沿，因為四個低電平被移入移位寄存器，故輸出轉為高電平。

三、濾波引入的誤差分析
    由濾波器的工作原理可以看出：在清晰無抖動的輸入與輸出信號之間存在3-1/2至4-1/2 個時鐘周期TS的延遲。我們知道，這在計數和測頻率時不會引入誤差，而在測量脈衝寬度，即脈衝信號的上升和下降兩個跳變沿之間的時間間隔時，可能引入誤差。下面就討論時間間隔△T測量的誤差。時間間隔信號△T由計數器的計數閘門形成電路產生，一般說來，△T不是濾波器時鐘周期TS的整數倍，並且△T的起點和終點可能出現在TS內的任意位置。圖3表示一種可能的情況。
 
因此    △T = N₁Ts- △ts+△te= N₁Ts-△t   （3）
    式中，△ts—△T的起點離散誤差， △te—△T的終點離散誤差，它們的可能值均為0至Ｔs 。
    △t—稱為總離散誤差，△t=△ts- △te。當△ts=0且△te→ts時，或當△te=0且△ts→ts時，此誤差達到最大值，即△tmax= ±Ts ，但實際上出現最大誤差的概率很小，因此，如果取±Ts作為測量結果的誤差，就顯得過於保守了。
    下面根據概率論的原理估計離散誤差的最大值。由於△T的起點和終點脈衝以等概率的幾率落在Ｔs間隔內，因此隨機誤差△ts及△te都服從均勻分佈。而總誤差△t則服從圖4所示的三角形分佈
 
其標準偏差為：
    （4）
    式（4）表示時間間隔測量是由濾波引入的標準偏差。

    四、結束語
    我們在研製VXI匯流排通用計數器模塊時採用了上述程式控制濾波器電路。在使用中發現，當輸入為低頻小信號（頻率低於1kHz，輸入幅度低於0.1V）的非方波信號(如正弦波、三角波等)時，如不使用該濾波器，寄生脈衝將嚴重影響測量結果。實踐證明，該程式控制數字濾波器的設計方案是可行的，在用計數器進行低頻測量時，使用該程式控制數字濾波器是一種很好的選擇。