通用计数器中的程控滤波器设计

一、引言
    当被测信号通过计数器的整形电路时，被测信号上叠加的噪声可能使比较器的输出信号翻转，形成寄生输出脉冲，从而造成计数误差。噪声信号引起的寄生输出脉冲平均周期为
 
    滤波器的基本工作原理是：如果定时脉冲来时，输入信号的当前状态与寄存器以前的状态一致，就将移位寄存器每一位的状态后移一位，这样，如果输入状态在连续四个定时脉冲周期不发生变化，则移位寄存器的每一位的状态都一样，信号最终经反向器输出；如果在此期间输入状态发生变化，则移位寄存器的每一位都被恢复到原来的寄存器输出状态，以上过程重新开始。在输入与输出信号之间的时间畴（time distortion）变量依赖于输入信号边沿上的抖动特性以及时钟信号的频率。因此，为了获得没有抖动的输出信号，时钟频率就需满足一个条件：在连续四个时钟脉冲周期内，输入信号不能有变化。因此，改变振荡器输入端输入的时钟信号的频率也就是改变了去抖电路低通滤波器的截止频率。此外，在计数器中还有一个程控分频器，其输出接到MC14490的振荡器输入端。程控分频器可受CPU控制，从而实现了程控低通滤波。
 
    图2为滤波器工作时序图。假设当移位寄存器所有位均输入低电平时，信号最终输出为高电平；反之，输出信号为低电平。在时钟脉冲1的下降沿，输入信号已达低电平，一个高电平就输入至该移位寄存器的第一位，当这一脉冲的下降沿过去时，输入信号又转为高电平，引起移位寄存器的所有位复位至低电平，于是一个时序重新开始。在时钟脉冲3至6的上升沿之间，输入信号保持低电平，因此高电平被传至移位寄存器的所有的四个位上，到下一个时钟脉冲的上升沿期间，输出转为低电平。N+1个时钟脉冲过去后，输入抖动为低电平，寄存器所有位都置于高电位；在N+2个脉冲到来时，状态不发生变化，这是因为输入输出都是低电平，且该移位寄存器的所有位均为高电平；在N+3个脉冲以后，输入信号为清晰的高电平信号；到N+6个脉冲的上升沿，因为四个低电平被移入移位寄存器，故输出转为高电平。

三、滤波引入的误差分析
    由滤波器的工作原理可以看出：在清晰无抖动的输入与输出信号之间存在3-1/2至4-1/2 个时钟周期TS的延迟。我们知道，这在计数和测频率时不会引入误差，而在测量脉冲宽度，即脉冲信号的上升和下降两个跳变沿之间的时间间隔时，可能引入误差。下面就讨论时间间隔△T测量的误差。时间间隔信号△T由计数器的计数闸门形成电路产生，一般说来，△T不是滤波器时钟周期TS的整数倍，并且△T的起点和终点可能出现在TS内的任意位置。图3表示一种可能的情况。
 
因此    △T = N₁Ts- △ts+△te= N₁Ts-△t   （3）
    式中，△ts—△T的起点离散误差， △te—△T的终点离散误差，它们的可能值均为0至Ｔs 。
    △t—称为总离散误差，△t=△ts- △te。当△ts=0且△te→ts时，或当△te=0且△ts→ts时，此误差达到最大值，即△tmax= ±Ts ，但实际上出现最大误差的概率很小，因此，如果取±Ts作为测量结果的误差，就显得过于保守了。
    下面根据概率论的原理估计离散误差的最大值。由于△T的起点和终点脉冲以等概率的几率落在Ｔs间隔内，因此随机误差△ts及△te都服从均匀分布。而总误差△t则服从图4所示的三角形分布
 
其标准偏差为：
    （4）
    式（4）表示时间间隔测量是由滤波引入的标准偏差。

    四、结束语
    我们在研制VXI总线通用计数器模块时采用了上述程控滤波器电路。在使用中发现，当输入为低频小信号（频率低于1kHz，输入幅度低于0.1V）的非方波信号(如正弦波、三角波等)时，如不使用该滤波器，寄生脉冲将严重影响测量结果。实践证明，该程控数字滤波器的设计方案是可行的，在用计数器进行低频测量时，使用该程控数字滤波器是一种很好的选择。