信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統的製作方法

2023-06-08 01:43:21

專利名稱：信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，尤其涉及一種信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統。
背景技術：
圖1描述了一種現有技術的信號監控系統100。信號監控系統100包括差分電阻電容低通濾波器(resi Stor-capacitor low-pass filter，簡稱為RC低通濾波器)102和差分模擬數字轉換器(analog-to-digital converter,簡稱為AD轉換器)104。AD轉換器 104包括與RC低通濾波器102連接的輸入端INP和輸入端INN。RC低通濾波器102接收輸入信號Vin，阻隔或減小混合在輸入信號Vin的高頻噪聲，並且將輸入信號Vin的低頻部分V』 IN 傳遞給AD轉換器104。RC低通濾波器102能產生輸出信號Vquti和輸出信號Vqut2，且控制輸出信號Vquti和輸出信號Vqut2之差等於低頻部分V』IN與RC低通濾波器102的增益^tl2的乘積，例如=Vout2-Vouti = V』 INXg1020 AD 轉換器 104 接收差分信號 VD，例如:VD = Vout2-Vouti，且產生表示差分信號Vd的數位訊號106。然而，在信號監控系統100中，需要對系統的響應速度和監測準確度進行折衷選擇。更具體地說，根據低通濾波器的特性，RC低通濾波器102的主極點頻率fp(或稱為第一極點頻率)由下式給出fp = 1/(2 π XRXC)其中，R表示RC低通濾波器102的等效電阻值，C表示RC低通濾波器102的等效電容值。由於RC低通濾波器102的等效電阻值和等效電容值恆定，RC低通濾波器102的主極點頻率fp恆定，因此由主極點頻率fp決定的RC低通濾波器102的帶寬恆定。為了提高RC低通濾波器102根據輸入信號Vin的變化來改變輸出信號Vquti和輸出信號Vot2的速度，RC低通濾波器102的帶寬需要增加。然而，RC低通濾波器102的帶寬越大，越多混合在輸入信號Vin中的噪聲會被傳遞給AD轉換器104。換句話說，增加RC低通濾波器102帶寬會減小信號監控系統100的監測準確度。相反地，RC低通濾波器102的帶寬越窄，RC低通濾波器102的響應速度就越慢。於是，需要對響應速度和監測準確度進行折衷選擇。因此，現有技術的信號監控系統100很難同時實現增加響應速度和提高監測準確度。此外，如果輸入信號Vin在OV到5V之間變化，並且RC低通濾波器102的增益^12 等於1，那麼從RC低通濾波器102到AD轉換器104的差分信號Vd也在OV到5V之間變化。 由於AD轉換器104為雙極輸入，AD轉換器104的差分輸入範圍至少為-5V到5V。如果AD 轉換器104為12位AD轉換器，AD轉換器104的最低有效位(least significant bit,簡稱為L SB)的電壓值由下式給出LSB = 5V/211 = 2. 44mVLSB電壓值越大，AD轉換器104的測量精度就越低。然而，在信號監控系統100中， 浪費了 AD轉換器104差分輸入範圍的一半，例如_5V到OV的範圍。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統，既加快監控系統的響應速度又提高其監測準確度。為解決上述技術問題，本發明提供一種信號濾波器，包括節點，用於選擇地接收第一輸入信號和第一參考信號；第一端，用於提供由所述第一輸入信號和所述第一參考信號確定的第一輸出信號；第二端，用於接收表示所述第一輸出信號的反饋信號；以及能量存儲電路，與所述節點、所述第一端和所述第二端相耦接，用於根據所述第一輸入信號和所述第一參考信號在所述第一端產生所述第一輸出信號，且用於交替地經由所述節點接收所述第一輸入信號和經由所述第二端接收所述反饋信號，其中，所述信號濾波器的主極點頻率由所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率控制。本發明所述的信號濾波器，所述能量存儲電路包括開關電容電路。本發明所述的信號濾波器，所述能量存儲電路包括電容器，所述電容器的一端經由第一開關耦接至所述第一輸入信號以接收所述第一輸入信號，且經由第二開關耦接至所述第一參考信號以接收所述第一參考信號，所述電容器的另一端經由第三開關耦接至第二參考信號以接收所述第二參考信號，且經由第四開關耦接至所述第一輸出信號以提供所述第一輸出信號。本發明所述的信號濾波器，在第一時間間隔，所述第一開關和所述第三開關導通， 所述第二開關和所述第四開關截止；在第二時間間隔，所述第一開關和所述第三開關截止， 所述第二開關和所述第四開關導通。本發明所述的信號濾波器，所述能量存儲電路用於經由第五開關接收所述反饋信號，其中所述第一開關和所述第五開關交替地導通。本發明所述的信號濾波器，所述信號濾波器的差分輸出信號由下式給出 V，INP-V' INN = (Vinp-Vinn)-(Vkefh-VkefL)，其中，V，INP表示所述信號濾波器的第二輸出信號， r im表示所述第一輸出信號，Vinp表示所述第一輸入信號，Vinn表示所述信號濾波器的第二輸入信號，Veefh表示所述第一參考信號，Veefl表示第二參考信號。本發明所述的信號濾波器，差值V』 INP-V』 INN的最大絕對值小於差值Vinp-Vinn的最大絕對值。本發明所述的信號濾波器，差值VKEFH-VKE%等於差值Vinp-Vinn的最大值的一半。本發明所述的信號濾波器，如果所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率增加，所述主極點頻率增加；如果所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率減小，所述主極點頻率減小。本發明所述的信號濾波器，所述第一輸入信號是從多個信號中選擇的，其中，當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率具有第一值；當超過一個時間間隔時，所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率具有小於所述第一值的第二值。本發明還提供了一種濾波方法，應用於信號濾波器中對第一輸入信號濾波，包括 能量存儲電路選擇地接收所述第一輸入信號和第一參考信號；根據所述第一輸入信號和所述第一參考信號產生第一輸出信號；所述能量存儲電路交替地接收所述第一輸入信號和表示所述第一輸出信號的反饋信號；以及通過控制所述能量存儲電路交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率控制所述信號濾波器的主極點頻率。本發明所述的濾波方法，所述能量存儲電路包括開關電容電路。本發明所述的濾波方法，所述濾波方法還包括在第一時間間隔，電容器一端接收所述第一輸入信號；在所述第一時間間隔，所述電容器另一端接收第二參考信號；在第二時間間隔，所述電容器一端接收所述第一參考信號；以及在所述第二時間間隔，所述電容器另一端提供所述第一輸出信號。本發明所述的濾波方法，所述濾波方法還包括提供第二輸出信號，其中，所述第一輸出信號和所述第二輸出信號之差表示所述第一輸入信號和第二輸入信號之差減去預設值，所述預設值在所述第一輸入信號和所述第二輸入信號之差所在的範圍內。本發明所述的濾波方法，所述濾波方法還包括增加所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率以增加所述主極點頻率；以及減小所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率以減小所述主極點頻率。本發明所述的濾波方法，所述濾波方法還包括從多個信號中選擇所述第一輸入信號；當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，控制所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率具有第一值；以及當超過一個時間間隔時，控制所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率具有小於所述第一值的第二值。本發明還提供了一種信號監控系統，包括信號濾波器，用於根據第一輸入信號和第一參考信號產生第一輸出信號，且用於接收表示所述第一輸出信號的反饋信號；所述信號濾波器包括多個開關，用於為所述信號濾波器中的能量存儲電路選擇地傳遞所述第一輸入信號和所述第一參考信號，和用於為所述能量存儲電路選擇地傳遞所述第一輸入信號和所述反饋信號；以及信號發生器，與所述信號濾波器相耦接，用於產生控制信號以控制所述多個開關，和用於控制所述控制信號的頻率以控制所述信號濾波器的主極點頻率。本發明所述的信號監控系統，所述信號監控系統還包括模擬數字轉換器，與所述信號濾波器相耦接，用於產生表示所述第一輸出信號和所述信號濾波器的第二輸出信號之差的數位訊號。本發明所述的信號監控系統，所述能量存儲電路包括開關電容電路。本發明所述的信號監控系統，所述控制信號控制所述多個開關，使得在第一時間間隔，電容器經由其一端接收所述第一輸入信號，且經由其另一端接收第二參考信號；在第二時間間隔，所述電容器經由其一端接收所述第一參考信號，且經由其另一端提供所述第一輸出信號。本發明所述的信號監控系統，所述第一輸出信號和所述信號濾波器的第二輸出信號之差表示所述第一輸入信號和所述信號濾波器的第二輸入信號之差減去預設值，所述預設值在所述第一輸入信號和所述第二輸入信號之差所在的範圍內。本發明所述的信號監控系統，所述信號監控系統還包括多路復用器，用於從多個信號中選擇所述第一輸入信號。本發明所述的信號監控系統，當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，所述信號發生器控制所述控制信號具有第一頻率;當超過一個時間間隔時，所述信號發生器控制所述控制信號具有小於所述第一頻率的第二頻率。與現有技術相比，本發明提供的信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統通過交替地接收輸入信號和表示輸出信號的反饋信號而且控制其交替的頻率從而控制信號濾波器的主極點頻率，既加快監控系統的響應速度又提高了監控系統的監控準確度。


圖1為現有技術的一種信號監控系統；圖2為本發明一個實施例的電池監控系統的示例性框圖；圖3A、圖;3B和圖3C為本發明多個實施例的控制信號的頻率示意圖；圖4為本發明一個實施例的信號濾波器的示例性電路圖；圖5為本發明一個實施例的時鐘信號的示例性波形圖；圖6A和6B為如圖4所示實施例的開關電容濾波器在兩種情況下的示例性等效電路圖；圖7為本發明一個實施例的信號監控系統的示例性操作方法流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明，以使本發明的特性和優點更為明顯。以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述， 但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反，本發明意在涵蓋由權利要求書所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種可選項、可修改項和等同項。此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供一個針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。在一個實施例中，本發明提供了一種包括差分濾波器和差分轉換電路(例如AD 轉換器)的信號監控系統。所述信號監控系統控制濾波器的主極點頻率，以控制該濾波器的帶寬。通過控制該濾波器的帶寬，提高所述信號監控系統的響應速度和監測準確度。另外，該濾波器控制所述AD轉換器的差分輸入信號，充分利用該AD轉換器的差分輸入範圍。 而且，減小所述AD轉換器的差分輸入範圍，從而提高AD轉換器的測量精度。圖2為本發明一個實施例的電池監控系統200的示例性框圖。電池監控系統200 包括電池單元對0_1、電池單元M0_2、...電池單元240_N，例如鋰離子(Lithium-Ion)電池或鉛酸(lead-acid)電池等。電池監控系統200還包括信號監控系統250，用於監控電池單元的電壓。信號監控系統250進一步包括多路復用器210、信號濾波器 202 (例如開關電容濾波器)、AD轉換器220 (例如差分AD轉換器)及時鐘信號發生器 230。在本實施例中，信號濾波器202為差分開關電容低通濾波器。如圖2所示，多路復用器210接收信號VIN(1)、信號Vin⑵、...信號V_)和參考信號 Veefo,且為信號濾波器202提供第一輸入信號Vinp和第二輸入信號VIffl。在一個實施例中，參考信號Vkefci用作信號VIN(1)、信號Vin⑵、...信號Vinw的公共地。參考信號Vkefci可以為接地電壓或者由電壓參考源(未顯示在圖2中)提供。在圖2的實施例中，信號VIN(1)、信號 Vin(2)、...信號Vinw分別為電池單元Μ0_1-240_Ν正極上的端電壓，參考信號Vkefci為接地電壓。在一個實施例中，第二輸入信號Vinn可以接地。因此，信號濾波器202接收單端信號(例如第一輸入信號Vinp)，且為AD轉換器220產生差分輸出信號。第一輸入信號Vinp 從電池單元Μ0_1-240_Ν的電池電壓V1、電池電壓Y2,...電池電壓Vn中選擇。舉例說明， 多路復用器210接收信號VIN(1)、信號VIN(2)、...信號Vinw和參考信號Vkefci，且產生分別等於 VIN⑴-V刪、VIN⑵-Vin⑴、· · · %_)-、_)的電池電壓V1、電池電壓V2,...電池電壓Vno多路復用器210再從電池電壓V1、電池電壓Y2,...電池電壓Vn中選擇第一輸入信號VINP，且將第一輸入信號Vinp傳遞給信號濾波器202。在另一實施例中，第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vinn從信號VIN(1)、信號 VIN(2)>...信號VIN(N)和參考信號Vkefci中選擇。舉例說明，多路復用器210包括多個開關通道，用於將從信號ν Νω、信號VIN(2)、...信號Vinw和參考信號Vkefci中選擇的兩個信號傳遞給信號濾波器202。所述多個開關通道具有各種不同結構。在一個實施例中，多路復用器 210將兩條開關通道導通，將信號VIN(1)和參考信號Vkefci傳遞給信號濾波器202，使得信號濾波器202接收差分輸入信號Vinw-Vk■，例如電池電壓V1。同理，多路復用器210順序地將這些開關通道導通，使得信號濾波器202順序地接收電池電壓V1、電池電壓V2、...電池電壓VN。信號濾波器202包括接收第一輸入信號Vinp的輸入端INPl，接收第二輸入信號Vinn 的輸入端INN1，提供輸出信號Vqutn的輸出端OUTm和提供輸出信號Vqutp的輸出端0UTP1。 信號濾波器202接收等於第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vinn之差的差分輸入信號，產生等於輸出信號Votn和輸出信號Votp之差的差分輸出信號。差分輸出信號Vottp-Votn的值表示差分輸入信號Vinp-Vinn的值，例如差值Vqutp-Vqutn正比於差值VINP-VINN。AD轉換器220接收差分輸出信號Vottp-Votn且產生數位訊號226，數位訊號2 表示差分輸出信號Vottp-Votn, 也表示差分輸入信號Vinp-Vinn。在一個實施例中，時鐘信號發生器230可以為包括了一個或多個振蕩器的時鐘信號發生器，用於產生控制信號(例如時鐘信號CLKl和時鐘信號CLK2)以控制信號濾波器 202。時鐘信號CLKl和時鐘信號CLK2根據差分輸入信號Vinp-Vinn的狀態控制信號濾波器 202的主極點頻率(或稱為第一極點頻率)。在圖2的實施例中，時鐘信號發生器230設於信號濾波器202的外部。然而，時鐘信號發生器230可以設於信號濾波器202的內部。有利的是，通過控制信號濾波器202的差分輸出範圍，使得信號監控系統250充分利用AD轉換器220的差分輸入範圍，並減小AD轉換器220的差分輸入範圍，從而提高AD轉換器220的測量精度。另外，加快了信號監控系統250的響應速度，例如輸出信號Vottn和輸出信號V·響應於第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vlffl的變化而變化的速度。同時， 提高了信號監控系統250的監測準確度，例如表示第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vinn 之差的數位訊號226的準確度。更具體地說，信號濾波器202接收第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vlffl，而且根據第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vinn以及第一參考信號Vkefh和第二參考信號Vkefl產生
9第一輸出信號V』 INN和第二輸出信號V』 INP(未顯示在圖2中)。第一參考信號Vkefh和第二參考信號由信號濾波器202的內部或外部參考信號源(未顯示在圖2中)提供。信號濾波器202控制第一輸出信號V』 INN的電平和第二輸出信號V』 INP的電平，使得第一輸出信號V』 和第二輸出信號V』 INP之差等於第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vlffl之差減去第一參考信號Vkefh和第二參考信號之差。換句話說，第一輸出信號V』 Iffl和第二輸出信號r INP之差由如下等式⑴給出V，INP-V，INN = (Vinp-Vinn)-(Veefh-Veefl) (1)信號濾波器202接收差分輸入信號VINP_VIffl，將差分輸入信號Vinp-Vinn轉換成差分信號r INP-v』 INN，再產生等於差分信號V』 INP-v』 Iffl與信號濾波器202的增益g2(l2乘積的差分輸出信號ν·-ν_。根據等式(1)，差分輸出信號ν·-ν_由如下等式⑵給出Voutp-Voutn = [ (Vinp-Vinn) - (Veefh-Veefl) ] X g202 (2)由此得出，信號濾波器202的差分輸出範圍由第一參考信號Vkefi^P第二參考信號 Vkefl控制。Vot為信號濾波器202的輸出共模電壓，例如νωΜ= (Vottp+V_)/2。所以，輸出信號Votn和輸出信號Vottp的電平分別由如下等式(3a)和(3b)給出Voutp = Vcom+ [ (Vinp-Vinn) - (Veefh-Veefl) ] X g202/2 (3a)Voutn = Vcom- [ (Vinp-Vinn) - (Veefh-Veefl) ] X g202/2 (3b)由此，輸出信號Vottn和輸出信號Vottp的範圍由輸出共模電SVot、第一參考信號 Veefh和第二參考信號控制。 設置第一參考信號Vkefh和第二參考信號Vkefl,使得差值V_-V·在差分輸入信號 VINP-Vinn所在的範圍內。以此方式，差值V』 INP-V』 INN的最大絕對值(即|V』 INP-V』 Iffl|的最大值)小於差值Vinp-Vinn的最大絕對值(即|VINP-VINN|的最大值)。於是，減小了 AD轉換器220的差分輸入範圍。舉例說明，差分輸入信號、，^^在抓到最大電平Vmax之間變化。 設置第一參考信號和第二參考信號V·，使得差值V_-V·等於最大電平Vmax的一半， 即Vkefh-Vkefl = Vmx/2。因此，根據等式(1)和等式O)，得以如下等式(4)Voutp-Voutn = [ (Vinp-Vinn) _Vmx/2] X g202 (4)由於差分輸入信號Vinp-Vinn在OV到最大電平Vmax之間變化，所以差分輸出信號 Voutp-Voutn在電平-(VmaxA) X g202到電平(VmaxA) X g202之間變化。若信號濾波器202的增益 E202等於1，最大電平Vmax等於5V，那麼差分輸出信號Vottp-Vottn在-2. 5V到2. 5V之間變化。 由此，AD轉換器220的差分輸入範圍至少可以設置為-2. 5V到2. 5V。這樣，充分利用了 AD 轉換器220的差分輸入範圍。如果AD轉換器220為12位AD轉換器，AD轉換器220的最低有效位(least significant bit，簡稱為LSB)的電壓值由下式給出LSB = 2. 5/211 = 1. 22mV與圖1中現有技術的信號監控系統100的AD轉換器104相比，圖2中AD轉換器 220具有較小的差分輸入範圍和較小的LSB電壓值。結果，AD轉換器220更準確地測量差
分輸出信號V0UTP_V0UTN°在本實施例中，AD轉換器220產生表示差分輸出信號Vqutp-Vqutn6<]數位訊號DIGin, 還產生等於數位訊號DIGin加上參考數位訊號DIGkef的數位訊號226。參考數位訊號DIGkef 表示差值VKEFH-VKEFL。因此，數位訊號2 表示差分輸入信號Vinp_Vinn。在一個實施例中，信號濾波器202包括開關電容電路。從時鐘信號CLKl和時鐘信號CLK2選擇控制信號SCF_CLK，用於控制(例如交替地導通和截止)所述開關電容電路中的開關，從而提供等效電阻值I se。所述開關電容電路可以有各種不同結構，且所述開關電容電路的等效電阻值Rsc由如下等式(5)給出Rsc= l/(CscXfGLK) (5)其中，Cs。表示所述開關電容電路的電容參數，fCLK表示控制所述開關電容電路中開關的控制信號SCF_CLK的頻率。此外，在本實施例中，信號濾波器202為低通濾波器。根據低通濾波器的特性，信號濾波器202的主極點頻率fp(l由如下等式(6)給出 fp0 = 1/(2 31 X Reqv X Ceqv) (6)其中，Reqv表示信號濾波器202的等效電阻值，Ceqv表示信號濾波器202的等效電容值。信號濾波器202的等效電阻值Reqv由所述開關電容電路提供，於是等於所述開關電容電路的等效電阻值I sc。基於等式(5)和等式(6)，得以如下等式(7)fp0 = fCLK X Csc/ (2 π X Ceqv) (7)因此，如果頻率fM增加，信號濾波器202的主極點頻率fp(1也增加；如果頻率fM 減小，主極點頻率減小。信號發生器230可以增加控制信號SCF_CLK的頻率fM以增加信號濾波器202的主極點頻率fp(l，因而增加信號濾波器202的帶寬。信號發生器230還可以減小控制信號S CF_CLK的頻率faK以減小信號濾波器202的主極點頻率fp(l，因而減小信號濾波器202的帶寬。圖3A為如圖2所示實施例的控制信號濾波器202中開關的控制信號SCF_CLK的頻率示意圖。以下將結合圖2對圖3A進行描述。如圖3A所示，控制信號SCF_CLK的頻率fM具有第一值faK1和小於第一值fM1的第二值fM2。舉例說明，信號發生器230根據差分輸入信號Vinp-Vinn的狀態從時鐘信號CLKl 和時鐘信號CLK2中選擇控制信號SCF_CLK，以控制信號濾波器202的主極點頻率fp0。時鐘信號CLKl具有第一值fM1，時鐘信號CLK2具有第二值fM2。多路復用器210從電池電壓 V1、電池電壓V2、...電池電壓Vn中順序地選擇並傳遞電池電壓，使得信號監控系統250監控電池電壓V1、電池電壓V2、...電池電SVn中的每個電池電壓。在一個實施例中，當差分輸入信號Vinp-Vinn從第一信號(例如電池電壓V1)切換成第二信號(例如電池電壓％) 時，例如在、時刻，信號發生器230選擇具有頻率faK1的時鐘信號CLKl來控制信號濾波器202。信號發生器230還包括用於計時的計時器。當超過一個預設時間間隔Tpkei時，例如在、時刻，信號發生器230選擇具有頻率fM2的時鐘信號CLK2來控制信號濾波器202。 當超過另一個預設時間間隔Tpke2時，例如在t2時刻，差分輸入信號Vinp-Vinn可以從第二信號(例如電池電壓％)切換成第三信號(例如電池電壓V3)。在t2時刻，信號發生器230 再次選擇時鐘信號CLKl控制信號濾波器202。結果，當差分輸入信號Vinp-Vinn從一個信號切換成另一個信號時，信號濾波器202增加其帶寬以加快響應速度。當超過預設時間間隔 Tpeei時，信號濾波器202減小其帶寬以提高AD轉換器220的準確度。在一個實施例中，信號發生器230從時鐘信號CLKl和時鐘信號CLK2中選擇控制信號SCF_CLK以控制信號濾波器202。然而，本發明不限於此。圖:3B和圖3C為本發明其他實施例的控制信號SCF_CLK的頻率示意圖。以下將結合圖2對圖;3B和圖3C進行描述。在圖;3B的實施例中，信號發生器230從三個或更多的具有不同頻率(例如頻率fern、頻率、頻率f2和頻率faK2)的時鐘信號中選擇控制信號SCF_CLK以控制信號濾波器 202。在圖3C的實施例中，當差分輸入信號Vinp-Vinn從一個信號切換成另一個信號時(例如在、、t2、t4時刻)，信號發生器230選擇的控制信號SCF_CLK具有較高的頻率fM1，然後如圖3C所示的方式將控制信號SCF_CLK的頻率連續減小至較低頻率fM2。圖4為如圖2所示實施例中信號濾波器202的示例性電路圖。信號濾波器202包括濾波電路和連接至所述濾波電路的差分放大器402。所述濾波電路包括開關416_1-416_2、 開關418_1-418_2、開關412_1-412_6和開關414_1_414_6。所述濾波電路還包括電容器 432、電容器442、電容器434、電容器444、電容器436、電容器446、電容器438、電容器448、 電容器404和電容器406，以及信號線422、信號線424、信號線4 和信號線426。如圖4 所示，開關 416_1-416_2、開關 418_1_418_2、開關 412_1_412_6 和開關 414_1-414_6中的每個開關包括標誌為「CTL」的控制端(以下簡稱為CTL端)、標誌為「Si」 的一端(以下簡稱為Sl端)及標誌為「S2」的一端(以下簡稱為S2端)。CTL端上的控制信號控制開關的狀態。舉例說明，如果該控制信號為邏輯高電平，該開關導通，並且信號在 Sl端和S2端之間傳輸。如果該控制信號為邏輯低電平，該開關截止。電容器432的一端(節點452)經由開關416_1耦接至第一輸入信號Vinp以接收第一輸入信號VINP，且經由開關418_1耦接至第一參考信號Vkefh以接收第一參考信號VKEFH。電容器432的另一端(節點454)經由開關412_1耦接至第一參考信號Vkefh或者另一個參考信號V』 KEF (未顯示在圖4中)以接收該參考信號，且經由電容器436和開關414_4耦接至第一輸出信號V』 INN以提供第一輸出信號V』 Iffl。電容器442的一端(節點456)經由開關 416_2耦接至第二輸入信號Vinn以接收第二輸入信號VINN，且經由開關4182耦接至第二參考信號Vkefl以接收第二參考信號VKE%。電容器442的另一端(節點45 經由開關412_2耦接至開關412_1所接收的同一個參考信號，例如第一參考信號Vkefh或者參考信號V』KEF (未顯示在圖4中)，以接收該參考信號，且經由電容器446和開關414_5耦接至第二輸出信號 V』 INP以接收第二輸出信號V』 INP。此外，電容器434、電容器436、電容器446和電容器444 中每個電容器的兩端經由對應的開關412_1-412_6耦接至開關412_1和開關412_2所接收的同一個參考信號，例如第一參考信號Vkefh或者參考信號V』 EEF(未顯示在圖4中)，以接收該參考信號。電容器434和電容器444還分別經由開關414_3和開關414_6耦接至輸出信號Votn和輸出信號Vottp以接收作為反饋信號的這兩個輸出信號。開關414_1和開關 414_2耦接至電容器438和電容器448以控制這兩個電容器。所述濾波電路經過輸入電容器432和輸入電容器442接收第一輸入信號Vinp和第二輸入信號Vinn以及第一參考信號Vkefh和第二參考信號VKE%，且經過反饋電容器434和反饋電容器444接收作為反饋信號的輸出信號Vottn和輸出信號VOTP。所述濾波電路還根據等式(1)產生第一輸出信號V』INN和第二輸出信號V』INP。差分放大器402接收第一輸出信號 r INN和第二輸出信號V』 INP，且根據等式(3a)和等式(3b)產生輸出信號Vottn和輸出信號 Voutp ο在一個實施例中，信號濾波器202接收控制信號SCF_CLK以控制開關 416_1-416_2、開關 418_1-418_2、開關 412_1-412_6 和開關 414_1_414_6，使得信號濾波器
202經由節點452交替地接收第一輸入信號Vinp和第一參考信號Vkefh,且產生由第一輸入信號Vinp和第一參考信號Vkefh確定的第一輸出信號V』 INN。信號濾波器202還經由節點456交替地接收第二輸入信號Vinn和第二參考信號Vkefl,且產生由第二輸入信號Vinn和第二參考信號Vkefl確定的第二輸出信號V』 INP。於是，第二輸出信號V』 INP和第一輸出信號V』 INN之差可由等式(1)給出。其次，信號濾波器202交替地接收差分輸入信號Vinp-Vinn和差分輸出信號VOTTP-V_，通過差分輸入信號Vinp-Vinn和差分輸出信號VOTTP-V_交替的頻率控制信號濾波器202的等效電阻值，例如根據等式(5)來控制控制信號SCF_CLK的頻率fM。於是，通過控制控制信號SCF_CLK的頻率faK來控制信號濾波器202的主極點頻率fp(l。更具體地說，開關416_1和開關416_2與信號線似6相耦接，並且由信號線似6上的時鐘信號PH IB控制。開關418_1和開關418_2與信號線4 相耦接，並且由信號線4 上的時鐘信號PH2B控制。開關412_1-412_6與信號線422相耦接，並且由信號線422上的時鐘信號PH IA控制。開關414_1-414_6與信號線似4相耦接，並且由信號線似4上的時鐘信號PH2A控制。非重疊時鐘信號發生器450接收控制信號SCF_CLK (例如時鐘信號)，且產生具有控制信號SCF_CLK的頻率fM或者說具有正比於頻率fM的頻率的時鐘信號PH1A、時鐘信號PH2A、時鐘信號PHlB和時鐘信號PH2B。非重疊時鐘信號發生器450還控制時鐘信號 PH1A、時鐘信號PH2A、時鐘信號PH IB和時鐘信號PH2B之間的相位差。圖5為本發明一個實施例的時鐘信號PH1A、時鐘信號PH2A、時鐘信號PHlB和時鐘信號PH2B的示例性波形圖。如圖5所示，時鐘信號PHlA和時鐘信號PH2A為一對非重疊時鐘信號，而時鐘信號 PHlB和時鐘信號PH2B為一對非重疊時鐘信號。更具體地說，若時鐘信號PHlA為邏輯高電平，則時鐘信號PH2A為邏輯低電平；若時鐘信號PH2A為邏輯高電平，則時鐘信號PHlA為邏輯低電平。同理，若時鐘信號PHlB為邏輯高電平，則時鐘信號PH2B為邏輯低電平；若時鐘信號PH2B為邏輯高電平，則時鐘信號PHlB為邏輯低電平。另外，時鐘信號PHlB是時鐘信號PHlA的延時信號，時鐘信號PH2B是時鐘信號PH2A的延時信號。舉例說明，時鐘信號 PHlA的上升沿發生在tm時刻，而時鐘信號PHlB對應的上升沿則發生在相對於tTO時刻延遲了 At的tP1時刻。而且，時鐘信號PHlA和時鐘信號PHlB具有相同的佔空比。同理，時鐘信號PH2A的上升沿發生在tP4時刻，而時鐘信號PH2B對應的上升沿則發生在相對於tP4 時刻延遲了 At的tP5時亥lj。而且，時鐘信號PH2A和時鐘信號PH2B具有相同的佔空比。與時鐘信號PH1A、時鐘信號PH2A、時鐘信號PHlB和時鐘信號PH2B的周期時間相比，延時Δ t 相對比較短。在tP1時刻和tP2時刻之間，時鐘信號PHlA和時鐘信號PHlB為邏輯高電平，而時鐘信號PH2A和時鐘信號PH2B為邏輯低電平。相應地，開關416_1_416_2和開關412_1_412_6 相應地導通，而開關418_1-418_2和開關414_1-414_6相應地截止。圖6A為信號濾波器 202在tP1時刻和tP2時刻之間的示例性等效電路圖600。在tP5時刻和tP6時刻之間，時鐘信號PHlA和時鐘信號PHlB為邏輯低電平，而時鐘信號PH2A和時鐘信號PH2B為邏輯高電平。那麼，開關416_1-416_2和開關412_1-412_6相應地截止，而開關418_1_418_2和開關 414_1-414_6相應地導通。圖6B為信號濾波器202在tP5時刻和tP6時刻之間的示例性等效電路圖600』。圖6A和圖6B將結合圖4進行描述。如圖6A所示，在tP1時刻和tP2時刻之間，電容器432經由節點452接收第一輸入信號VINP，且經由節點妨4接收第一參考信號VKEFH。橫跨電容器432的電壓Va等於第一參考信號Vkefh和第一輸入信號Vinp之差，即Va = VKEFH-VINP。電容器442經由節點456接收第二輸入信號Vlffl，且經由節點458接收第一參考信號VKEFH。橫跨電容器442的電壓Vra等於第一參考信號Vkefh和第二輸入信號Vinn之差，即Vc3 = VKEFH-VINN。另夕卜，電容器434、電容器 436、電容器446和電容器444中每個電容器的兩端接收第一參考信號VKEFH。橫跨電容器 434、電容器436、電容器446和電容器444的電壓均為零。如圖6B所示，在tP5時刻和tP6時刻之間，電容器432經由節點452接收第一參考信號Vkefh,且經由節點妨4和電容器436提供傳輸給差分放大器402的第一輸出信號V，通。 電容器442經由節點456接收第二參考信號VKE%，且經由節點458和電容器446提供傳輸給差分放大器402的第二輸出信號V』 INP。更具體地說，由於電容器432的電壓Va和電容器436的電壓Nc2不會突然變化，所以節點妨4上的電壓等於第一參考信號Vkefh加上電平值 Vkefh-Vinp，且第一輸出信號V』 INN等於電平值VKEFH+VKEFH-VINP。換句話說，第一輸出信號V』 INN 由如下等式⑶給出V' Iffl = 2 XVeefh-Vinp (8)同理，節點458上的電壓等於第二參考信號V·加上電平值V_-VINN，且第二輸出信號ν』ΙΝΡ等於電平值VKE%+VKEFH-VINP。換句話說，第二輸出信號V』INP由如下等式(9)給出Ψ INP = VEEFL+VEEFH-VINN (9)結果，根據等式(1)獲得第一輸出信號V』 ^和第二輸出信號V』 INP之差。換句話說，能量存儲電路602在節點452選擇地接收第一輸入信號Vinp和第一參考信號VKEFH。能量存儲電路602在節點456選擇地接收第二輸入信號Vlffl和第二參考信號 VKEFL。開關414_4的S2端提供由第一輸入信號Vinp和第一參考信號Vkefh確定的第一輸出信號Ψ Iffl。開關414_5的S2端提供由第二輸入信號Vinn和第二參考信號Vkefl確定的第二輸出信號V』 INP。開關414_3的S2端接收作為反饋信號的表示第一輸出信號V』 Iffl的輸出信號VOTN。開關414_6的S 2端接收作為反饋信號的表示第二輸出信號V』 INP的輸出信號 VQUTP。能量存儲電路602在開關414_4的S2端上產生第一輸出信號V』 Iffl，且在開關414_5 的S2端上產生第二輸出信號V』 INP。根據等式(1)獲得第一輸出信號V』 INN和第二輸出信
巧 V INP 差 O儘管圖4、圖6A和圖6B的實施例中，在第一時間間隔(例如tP1時刻和tP2時刻之間)，節點454、節點458及電容器436和電容器446的兩端均接收第一參考信號Vkefh，然而本發明不限於此。在另一個實施例中，在第一時間間隔(例如tP1時刻和、時刻之間)， 節點452接收第一輸入信號VINP，節點456接收第二輸入信號VIffl。另外，節點454、節點458 及電容器436和電容器446的兩端均接收參考信號V』 EEF而不是第一參考信號VKEFH。在第二時間間隔(例如tP5時刻和tP6時刻之間)，節點452接收第一參考信號Vkefh,節點456接收第二參考信號VKE%。另外，節點妨4經由電容器436提供第一輸出信號V』Iffl，節點458經由電容器446提供第二輸出信號V』 INP。在這樣的實施例中，得到如下等式(10)和(11)Ψ im = VEEFH+V' EEF-VINP (10)V' INP = VEEFL+V' EEF-VINN (11)也可根據等式(1)獲得第一輸出信號V』 Iffl和第二輸出信號V』 INP之差。此外，能量存儲電路602交替地經由節點452接收第一輸入信號Vinp和經由開關 414_3的S2端接收作為反饋信號的輸出信號Vqutp，且交替地經由節點456接收第二輸入信號Vinn和經由開關414_6的S2端接收作為反饋信號的輸出信號乂_。由此可得，信號濾波器 202的主極點頻率fp(1由第一輸入信號Vinp和輸出信號Vottp交替的頻率或者說第二輸入信號 Vinn和輸出信號V_交替的頻率控制。舉例說明，如圖6A所示，在tP1時刻和tP2時刻之間， 包括了電容器432、電容器442、電容器434、電容器444、電容器436和電容器446的能量存儲電路602中存儲的電荷由差分輸入信號Vinp-Vinn控制。例如，能量存儲電路602中存儲的電荷Qs。等於CseX (Vinp-Vinn)，其中Cse表示能量存儲電路602中的一個電容參數。如圖6B 所示，在tP5時刻和tP6時刻之間，能量存儲電路602中存儲的電荷由差分輸出信號VOTTP-V_ 控制。例如，能量存儲電路602中存儲的電荷Q’se等於CseX (Voutp-Voutn)。控制信號SCF_CLK 控制開關 416_1-416_2、開關 418_1-418_2、開關 412_1_412_6 和開關 414_1_414_6，使得差分輸入信號Vinp-V通和差分輸出信號Vottp-Votn以頻率fM交替地控制能量存儲電路602中存儲的電荷。在一個周期時間Tm內，即l/faK，能量存儲電路602存儲的電荷的變化量AQ 等於Q』 SC-QSC = CscX [ (Voutp-Voutn) - (Vinp-Vinn)]。所以，流過能量存儲電路602的平均電流 Isc 等於 Δ Q/Tclk = Csc X fCLK X [ (Voutp-Voutn) - (Vinp-Vinn)]。其次，能量存儲電路 602 的等效電阻值 Rsc 等於[(Vqutp-Vqutn) -(Vinp-Vinn)]/Isc。由此可得，等效電阻值 Rsc 等於 l/(CscXfGLK)。 因此，由頻率fM控制信號濾波器202的主極點頻率fp0。在一個實施例中，電容器438、電容器448、電容器404和電容器406的電容值均等於Ctl，電容器432、電容器442、電容器434和電容器444的電容值均等於0. 5 X C1,電容器 436和電容器446的電容值等於Q。在這樣的實施例中，信號濾波器202的主極點頻率fp(l 由如下等式(12)給出
權利要求
1.一種信號濾波器，其特徵在於，所述信號濾波器包括節點，用於選擇地接收第一輸入信號和第一參考信號；第一端，用於提供由所述第一輸入信號和所述第一參考信號確定的第一輸出信號；第二端，用於接收表示所述第一輸出信號的反饋信號；以及能量存儲電路，與所述節點、所述第一端和所述第二端相耦接，用於根據所述第一輸入信號和所述第一參考信號在所述第一端產生所述第一輸出信號，且用於交替地經由所述節點接收所述第一輸入信號和經由所述第二端接收所述反饋信號，其中，所述信號濾波器的主極點頻率由所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率控制。
2.根據權利要求1所述的信號濾波器，其特徵在於，所述能量存儲電路包括開關電容電路。
3.根據權利要求1所述的信號濾波器，其特徵在於，所述能量存儲電路包括電容器，所述電容器的一端經由第一開關耦接至所述第一輸入信號以接收所述第一輸入信號，且經由第二開關耦接至所述第一參考信號以接收所述第一參考信號，所述電容器的另一端經由第三開關耦接至第二參考信號以接收所述第二參考信號，且經由第四開關耦接至所述第一輸出信號以提供所述第一輸出信號。
4.根據權利要求3所述的信號濾波器，其特徵在於，在第一時間間隔，所述第一開關和所述第三開關導通，所述第二開關和所述第四開關截止；在第二時間間隔，所述第一開關和所述第三開關截止，所述第二開關和所述第四開關導通。
5.根據權利要求3所述的信號濾波器，其特徵在於，所述能量存儲電路用於經由第五開關接收所述反饋信號，其中所述第一開關和所述第五開關交替地導通。
6.根據權利要求1所述的信號濾波器，其特徵在於，所述信號濾波器的差分輸出信號由下式給出V INP_V I麗一 (VlNP_VlNN) ~~ ^EEFH~^EEFL)其中，V』 INP表示所述信號濾波器的第二輸出信號，V』 INN表示所述第一輸出信號，Vinp表示所述第一輸入信號，Vinn表示所述信號濾波器的第二輸入信號，Veefh表示所述第一參考信號，V肌表示第二參考信號。
7.根據權利要求6所述的信號濾波器，其特徵在於，差值V』INP-V』 Iffl的最大絕對值小於差值Vinp-Vinn的最大絕對值。
8.根據權利要求6所述的信號濾波器，其特徵在於，差值Vkefh-Vkefl等於差值Vinp-Vinn的最大值的一半。
9.根據權利要求1所述的信號濾波器，其特徵在於，如果所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率增加，所述主極點頻率增加；如果所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率減小，所述主極點頻率減小。
10.根據權利要求1所述的信號濾波器，其特徵在於，所述第一輸入信號是從多個信號中選擇的，其中，當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率具有第一值；當超過一個時間間隔時，所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率具有小於所述第一值的第二值。
11.一種濾波方法，應用於信號濾波器中對第一輸入信號濾波，其特徵在於，所述濾波。方法包括能量存儲電路選擇地接收所述第一輸入信號和第一參考信號； 根據所述第一輸入信號和所述第一參考信號產生第一輸出信號； 所述能量存儲電路交替地接收所述第一輸入信號和表示所述第一輸出信號的反饋信號；以及通過控制所述能量存儲電路交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率控制所述信號濾波器的主極點頻率。
12.根據權利要求11所述的濾波方法，其特徵在於，所述能量存儲電路包括開關電容電路。
13.根據權利要求11所述的濾波方法，其特徵在於，所述濾波方法還包括 在第一時間間隔，電容器一端接收所述第一輸入信號；在所述第一時間間隔，所述電容器另一端接收第二參考信號； 在第二時間間隔，所述電容器一端接收所述第一參考信號；以及在所述第二時間間隔，所述電容器另一端提供所述第一輸出信號。
14.根據權利要求11所述的濾波方法，其特徵在於，所述濾波方法還包括提供第二輸出信號，其中，所述第一輸出信號和所述第二輸出信號之差表示所述第一輸入信號和第二輸入信號之差減去預設值，所述預設值在所述第一輸入信號和所述第二輸入信號之差所在的範圍內。
15.根據權利要求11所述的濾波方法，其特徵在於，所述濾波方法還包括增加所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率以增加所述主極點頻率;以及減小所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率以減小所述主極點頻率。
16.根據權利要求11所述的濾波方法，其特徵在於，所述濾波方法還包括 從多個信號中選擇所述第一輸入信號；當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，控制所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率具有第一值；以及當超過一個時間間隔時，控制所述交替接收所述第一輸入信號和所述反饋信號的頻率具有小於所述第一值的第二值。
17.一種信號監控系統，其特徵在於，所述信號監控系統包括信號濾波器，用於根據第一輸入信號和第一參考信號產生第一輸出信號，且用於接收表示所述第一輸出信號的反饋信號；所述信號濾波器包括多個開關，用於為所述信號濾波器中的能量存儲電路選擇地傳遞所述第一輸入信號和所述第一參考信號，和用於為所述能量存儲電路選擇地傳遞所述第一輸入信號和所述反饋信號；以及信號發生器，與所述信號濾波器相耦接，用於產生控制信號以控制所述多個開關，且用於控制所述控制信號的頻率以控制所述信號濾波器的主極點頻率。
18.根據權利要求17所述的信號監控系統，其特徵在於，所述信號監控系統還包括模擬數字轉換器，與所述信號濾波器相耦接，用於產生表示所述第一輸出信號和所述信號濾波器的第二輸出信號之差的數位訊號。
19.根據權利要求17所述的信號監控系統，其特徵在於，所述能量存儲電路包括開關電容電路。
20.根據權利要求17所述的信號監控系統，其特徵在於，所述控制信號控制所述多個開關，使得在第一時間間隔，電容器經由其一端接收所述第一輸入信號，且經由其另一端接收第二參考信號；在第二時間間隔，所述電容器經由其一端接收所述第一參考信號，且經由其另一端提供所述第一輸出信號。
21.根據權利要求17所述的信號監控系統，其特徵在於，所述第一輸出信號和所述信號濾波器的第二輸出信號之差表示所述第一輸入信號和所述信號濾波器的第二輸入信號之差減去預設值，所述預設值在所述第一輸入信號和所述第二輸入信號之差所在的範圍內。
22.根據權利要求17所述的信號監控系統，其特徵在於，所述信號監控系統還包括多路復用器，用於從多個信號中選擇所述第一輸入信號。
23.根據權利要求22所述的信號監控系統，其特徵在於，當所述第一輸入信號從所述多個信號中的第一信號切換成所述多個信號中的第二信號時，所述信號發生器控制所述控制信號具有第一頻率；當超過一個時間間隔時，所述信號發生器控制所述控制信號具有小於所述第一頻率的第二頻率。
全文摘要
一種信號濾波器、濾波方法以及信號監控系統，所述信號濾波器包括節點，用於選擇地接收第一輸入信號和第一參考信號；第一端，用於提供由所述第一輸入信號和所述第一參考信號確定的第一輸出信號；第二端，用於接收表示所述第一輸出信號的反饋信號；以及能量存儲電路，與所述節點、所述第一端和所述第二端相耦接，用於根據所述第一輸入信號和所述第一參考信號在所述第一端產生所述第一輸出信號，且用於交替地經由所述節點接收所述第一輸入信號和經由所述第二端接收所述反饋信號，其中，所述信號濾波器的主極點頻率由所述第一輸入信號和所述反饋信號交替的頻率控制。本發明既可加快監控系統的響應速度又可提高監控系統的監控準確度。
文檔編號H03H9/46GK102299699SQ20111010542
公開日2011年12月28日 申請日期2011年4月26日 優先權日2010年6月22日
發明者慄國星 申請人:凹凸電子(武漢)有限公司