專利名稱：四象限乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計涉及電能測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四象限乘法器。
背景技術(shù)：
芯片設(shè)計中經(jīng)常需要對兩路信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，例如電能計量中對電流和電壓相乘得到功率。如果用模擬電路實(shí)現(xiàn)兩路信號的乘積精度不會很高，為克服模擬電路這一缺點(diǎn)，現(xiàn)在典型的芯片使用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)將模擬信號量化為數(shù)字信號，在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)兩個通道的相乘，這種方法可以得到較高的精度。
一種典型四象限乘法器電路的原理框圖如圖1所示，輸入端第一路模擬信號V1和第二路模擬信號V2經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到較高精度的數(shù)字信號，然后將量化后的信號相乘得到乘積信號，最后通過一個低通濾波器LPF濾除兩個同一頻率的信號相乘所產(chǎn)生2次諧波信號，輸出直流信號，該直流信號正比于輸入V1和V2的乘積，即乘積信號，這就是我們所要得到的。
但是這里有一個問題，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程中會引入失調(diào)電壓，這樣一來，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出不僅有線頻率信號，還有直流分量(即失調(diào)電壓)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜如圖2所示，圖中的fline是線頻率。這樣量化后的兩通道信號相乘的結(jié)果中就含有第一通道中的直流分量(失調(diào)電壓)與第二通道中的直流分量(失調(diào)電壓)相乘而得到的直流分量(失調(diào)電壓)，頻譜如圖3所示，該頻譜中有失調(diào)電壓(誤差信號)、直流乘積、2次諧波、線頻率分量。從前面的分析可知，直流乘積和失調(diào)電壓都是直流信號，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出中的失調(diào)電壓給乘積結(jié)果帶來了不可消除的誤差，這樣就不能得到高精度的乘積信號。
為解決了這一問題，有技術(shù)方案在第一通道上模數(shù)轉(zhuǎn)換器及乘法器之前添加一高通濾波器HPF(如圖4所示)，第一通道高通濾波器HPF的輸出頻譜如圖5所示，第二通道乘法器之前的信號頻譜仍為圖2所示，而乘法器的輸出頻譜如圖6所示，頻譜中包含直流乘積，二次諧波和第一通道的線頻率信號與第二通道的失調(diào)電壓相乘而得到的線頻率分量，但不包含額外的失調(diào)電壓，線頻率分量和2次諧波可以通過低通濾波器LPF濾除。
同樣，上述技術(shù)方案又引入了一個新的問題，即高通濾波器HPF一般用IIR(無限沖激響應(yīng))實(shí)現(xiàn)，引入了額外的相位，這樣兩通道相乘時兩者相位失配，這同樣會給結(jié)果帶來誤差。
中國實(shí)用新型專利公告號CN2609058Y揭示了一種四象限乘法器，為解決上述技術(shù)問題，在圖4所示的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在第二通道引入與第一通道相同的高通濾波器HPF，其電路原理框圖如圖7所示，該專利可以保證信號在相乘時相位保持匹配。但有一個缺點(diǎn)當(dāng)兩路模擬信號在輸入前就存有較小的相位失配時，上述技術(shù)方案就不能解決，而這是本發(fā)明所要解決的問題之一。
同時，在兩通道信號相乘并濾除諧波信號后往往需要在較高的數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行一些后續(xù)處理，這就需要升采樣，典型的處理電路的原理框圖如圖8所示，低通濾波器LPF1濾除直流乘積信號以外的信號，零階保持電路實(shí)現(xiàn)升采樣，低通濾波器LPF2是升采樣濾波器，濾除升采樣引入的鏡像頻率分量，輸出實(shí)時乘積信號，而升采樣濾波器的使用加大了電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。圖7所示電路在應(yīng)用中有兩種可能其一，在其輸出端添加一零階保持電路，但不進(jìn)行濾波，直接進(jìn)入后續(xù)模塊，該方法難以消除鏡像頻率分量對系統(tǒng)精度的影響；其二，在其輸出接入零階保持電路及低通濾波器LPF2，但這種方案電路比較復(fù)雜。降低所述技術(shù)方案的電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，是本發(fā)明需要解決的問題之二。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種四象限乘法器電路，可降低兩輸入通道的相位失配，提高實(shí)時乘積精度。
本發(fā)明所要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題是減少四象限乘法器電路中元器件的使用量、降低電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種四象限乘法器電路，包括第一通道，其包括與第一路模擬信號對應(yīng)的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；第二通道，其包括與第二路模擬信號對應(yīng)的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器；乘法器，其與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連輸出兩路信號乘積；低通濾波器，其與所述乘法器輸出端相連濾除諧波信號輸出實(shí)時乘積結(jié)果，其中，該四象限乘法器電路還包括相位調(diào)整電路，其連接于所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或連接于第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于保持兩通道信號的相位匹配；高通濾波器，其相應(yīng)地連接于所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于濾除失調(diào)電壓。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于該相位調(diào)整電路為一可編程全通濾波器。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于該四象限乘法器電路還包括一升采樣電路，連接于所述乘法器與低通濾波器之間用于提高數(shù)據(jù)速率。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于該升采樣電路為一零階保持電路。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于該低通濾波器為一階IIR濾波器，用于濾除諧波及升采樣電路所引入的鏡像頻率分量。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于該一階IIR濾波器的傳遞函數(shù)為H(z)=12K+1*1+z-11-(1-2-K)z-1]]>，其中參數(shù)K與濾波器的輸入數(shù)據(jù)速率fsample及濾波器的-3dB帶寬f-3dB有關(guān)，三者關(guān)系為f-3dB≅2-K2π*fsample.]]>本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明四象限乘法器電路在第一通道或第二通道上連接有一相位調(diào)整電路，用以進(jìn)行相位補(bǔ)償，如果因?yàn)閮陕纺M信號在輸入前具有較小的相位失配，可以通過對相位調(diào)整電路的編程來消除這一失配，提高了實(shí)時乘積的精度；
同時，本發(fā)明通過零階保持電路及一階IIR低通濾波器即可濾除線頻率、2次諧波及采樣電路所引入的鏡像頻率分量，無需使用兩個濾波器，從而減少四象限乘法器電路中元器件的使用量、降低電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

圖1是一種現(xiàn)有四象限乘法器電路的原理方框圖。
圖2是圖1所示電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端的信號頻譜示意圖。
圖3是圖1所示電路中乘法器輸出端的頻譜示意圖。
圖4是一種現(xiàn)有的可消除失調(diào)電壓的四象限乘法器電路的原理方框圖。
圖5是圖4所示電路通道1中高通濾波器輸出端的頻譜示意圖。
圖6是圖4所示電路乘法器輸出端的頻譜示意圖。
圖7是一種現(xiàn)有四象限乘法器的原理方框圖。
圖8是一種現(xiàn)有與乘法器輸出端相連的濾波升采樣電路的原理方框圖。
圖9本發(fā)明四象限乘法器電路的原理方框圖。
圖10本發(fā)明四象限乘法器電路中零階保持電路輸出端的頻譜示意圖。
圖11本發(fā)明四象限乘法器電路中低通濾波器輸出端的頻譜示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
如圖9所示，本發(fā)明四象限乘法器電路，包括第一通道，其包括第一路模擬信號V1對應(yīng)的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；第二通道，其包括第二路模擬信號V2對應(yīng)的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器；乘法器，其與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連輸出兩路信號乘積；低通濾波器，其與所述乘法器輸出端相連濾除諧波信號輸出實(shí)時乘積結(jié)果。
相位調(diào)整電路，其連接于所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或連接于第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于保持第一、第二通道中信號的相位匹配，該相位調(diào)整電路通常為可編程全通濾波器，通過對相位調(diào)整電路的參數(shù)進(jìn)行編程，來消除第一、第二通道中信號的相位失配，從而可增加設(shè)計的靈活性。
高通濾波器，其相應(yīng)地連接于所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于濾除失調(diào)電壓。
該四象限乘法器電路還包括一升采樣電路，連接于所述乘法器輸出端用于提高數(shù)據(jù)速率。該升采樣電路通常為零階保持電路，所述零階保持器將輸入的數(shù)據(jù)速率升到輸出的數(shù)據(jù)速率，輸出數(shù)據(jù)速率是輸入數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍n，零階保持就是簡單地將每個輸入數(shù)據(jù)連續(xù)保持n個輸出數(shù)據(jù)周期，即可達(dá)到后續(xù)電路進(jìn)行處理所要求的數(shù)據(jù)速率，所述零階保持電路在頻域上在整數(shù)倍輸入數(shù)據(jù)速率處產(chǎn)生零點(diǎn)，從而對升采樣后的頻譜有簡單濾波的作用。
低通濾波器，其與所述升采樣電路輸出端相連濾除諧波信號輸出實(shí)時乘積。該低通濾波器通傳遞函數(shù)為H(z)=12K+1*1+z-11-(1-2-K)z-1---(1)]]>所述低通濾波器在直流處的增益為1，在奈奎斯特頻率處出現(xiàn)零點(diǎn)，其中參數(shù)K與濾波器的輸入數(shù)據(jù)速率fsample及濾波器的-3dB帶寬f-3dB有關(guān)，三者關(guān)系為f-3dB≅2-K2π*fsample---(2)]]>頻率f處的幅度A與-3dB帶寬的關(guān)系為A≅11+f/f-3dB---(3)]]>因此，可以通過改變參數(shù)K的值來調(diào)整-3dB帶寬和衰減幅度。所述低通濾波器通常為一階IIR濾波器，該一階IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)只需3個加法即可完成，在分母中除了移位操作外，沒有其它較難實(shí)現(xiàn)的系數(shù)，該一階IIR濾波器可以大大節(jié)省實(shí)現(xiàn)的成本。
工作時，輸入模擬信號V1經(jīng)過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入模擬信號V2經(jīng)過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此時兩路信號的量化結(jié)果具有很高的精度，一般有16比特的精度；第一通道上經(jīng)過高通濾波器HPF濾除第一通道的失調(diào)電壓，在第二通道上經(jīng)過可編程全通濾波器相位調(diào)整使兩通道信號相位匹配；從而兩通道信號相乘后的結(jié)果中不再有失調(diào)電壓帶來的誤差，也沒有兩通道信號相位失配帶來的誤差，頻譜上有關(guān)心的失調(diào)電壓，2次諧波分量，還有線頻率分量，其頻譜如圖6所示；零階保持器將輸入的數(shù)據(jù)速率升到輸出的數(shù)據(jù)速率，輸出數(shù)據(jù)速率是輸入數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍n，所述零階保持電路輸出端的頻譜如圖10所示，圖中fs是零階保持器輸入的數(shù)據(jù)速率，可見輸入頻譜中在線頻率和2次諧波頻率處的分量在升采樣后都引入鏡像頻率分量，直流乘積信號在升采樣后的鏡像頻率分量由于零階保持器自身的簡單濾波特性而被濾除；對比圖8和圖9中電路，圖9所示電路中的低通濾波器LPF，起到兩個作用一是起到圖8所示電路中低通濾波器LPF1的作用，濾除第一、第二通道輸出信號乘積中的2次諧波和線頻率分量；二是起到圖8所示電路中低通濾波器LPF2的作用，濾除升采樣引入的鏡像頻率分量。但是，圖9所示電路中的低通濾波器LPF工作在采樣后的數(shù)據(jù)速率上，而圖8所示電路中低通濾波器LPF1工作在升采樣前的數(shù)據(jù)速率上，低通濾波器LPF2工作在升采樣后的數(shù)據(jù)速率上，從而圖9所示電路中的低通濾波器LPF的設(shè)計要求比圖8中的LPF1及LPF2都高?？紤]到以上所有的頻率中，fs頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fline，因此線頻率最低，LPF只要在線頻率附近有足夠的衰減，其他的頻率自然被濾除。所述低通濾波器輸出端的頻譜如圖11所示，頻譜中只剩直流乘積，其他的信號都被濾除，這樣就得到要求的實(shí)時乘積結(jié)果。
本發(fā)明四象限乘法器應(yīng)用時，既可以在圖9所示的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，輸入電壓模擬信號和電流模擬信號即可計算有功功率外接的MCU讀取電能計量電路輸出的實(shí)時功率進(jìn)行計數(shù)即可以得到電能結(jié)果；也可以在圖9所示的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，第一通道和第二通道都輸入電壓模擬信號，即可計算電壓的有效值；第一通道和第二通道都輸入電流模擬信號，即可計算電流的有效值。
由于本發(fā)明四象限乘法器電路在第一通道和第二通道上連接有一相位調(diào)整電路，用以進(jìn)行相位補(bǔ)償，如果因?yàn)閮陕纺M信號在輸入前具有較小的相位失配，可以通過對相位調(diào)整電路的編程來消除這一失配，提高了實(shí)時乘積的精度；同時，本發(fā)明通過零階保持電路及一階IIR低通濾波器即可濾除線頻率、2次諧波及升采樣電路所引入的鏡像頻率分量，無需使用兩個濾波器，從而減少四象限乘法器電路中元器件的使用量、降低電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1.一種四象限乘法器，包括第一通道，其包括與第一路模擬信號對應(yīng)的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；第二通道，其包括與第二路模擬信號對應(yīng)的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器；乘法器，其與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端相連輸出兩路信號乘積；低通濾波器，其與所述乘法器輸出端相連濾除諧波信號輸出實(shí)時乘積結(jié)果，其特征在于，該四象限乘法器電路還包括相位調(diào)整電路，其連接于所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或連接于第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于保持第一通道與第二通道信號的相位匹配；高通濾波器，其相應(yīng)地連接于所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于濾除失調(diào)電壓。
2.如權(quán)利1所述的四象限乘法器電路，其特征在于該相位調(diào)整電路為一可編程全通濾波器。
3.如權(quán)利1所述的四象限乘法器電路，其特征在于該四象限乘法器電路還包括一升采樣電路，連接于所述乘法器與低通濾波器之間用于提高數(shù)據(jù)速率。
4.如權(quán)利3所述的四象限乘法器電路，其特征在于該升采樣電路為一零階保持電路。
5.如權(quán)利3所述的四象限乘法器電路，其特征在于該低通濾波器為一階IIR濾波器，用于濾除諧波及升采樣電路所引入的鏡像頻率分量。
6.如權(quán)利3所述的四象限乘法器電路，其特征在于該低通濾波器的傳遞函數(shù)為H(z)=12K+1*1+z-11-(1-2-K)z-1,]]>其中參數(shù)K與濾波器的輸入數(shù)據(jù)速率fsamplc及濾波器的-3dB帶寬f-3dB有關(guān)，三者關(guān)系為f-3dB≅2-K2π*fsample]]>。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四象限乘法器，包括含有第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一通道，含有第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第二通道，與所述第一、第二通道輸出端相連的乘法器，與所述乘法器輸出端相連的低通濾波器，其中，該四象限乘法器還包括相位調(diào)整電路，其連接于所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或連接于第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于保持兩路信號的相位匹配；高通濾波器，其相應(yīng)地連接于所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間或第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與乘法器之間用于濾除失調(diào)電壓。本發(fā)明四象限乘法器，可降低兩通道的相位失配，提高實(shí)時乘積精度，同時具有使用元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。
文檔編號G01R21/06GK1987492SQ20051012084
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者周命福, 陳克林, 韓旭明, 范健民 申請人:深圳市芯?？萍加邢薰?br>