專利名稱：四象限乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及四象限乘法器。
背景技術(shù)：
一般而言，四象限乘法方法分模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩種。眾所周知，模擬四象限乘法器會(huì)受到線性度不高和模擬器件直流偏移誤差的影響，所以大多出現(xiàn)在早期的應(yīng)用中。
數(shù)字四象限乘法器的一種已知的架構(gòu)是一路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)降頻低通濾波器處理后的多位元結(jié)果被乘上一位元的電誤差累積調(diào)制器(Sigma-delta modulator)結(jié)果，即另一路輸入信號(hào)，這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是1.為保證精度(特別是應(yīng)用于電能計(jì)量時(shí))，經(jīng)過(guò)降頻的一路信號(hào)必須要有高通濾波器去濾掉前級(jí)模擬器件帶來(lái)的直流偏移誤差，就必須增加電路來(lái)預(yù)補(bǔ)償相位，來(lái)抵消高通濾波器產(chǎn)生的相位誤差(與未降頻的另一路信號(hào)的相位比較)；這種補(bǔ)償不可能達(dá)到兩路信號(hào)真正的零相位差，對(duì)乘積的精度會(huì)有一定的影響；而未降頻的那一路輸入信號(hào)在參加乘法運(yùn)算前并沒(méi)有對(duì)1-bit的sigma-delta調(diào)制器結(jié)果進(jìn)行高頻量化噪聲的衰減，所以其乘法結(jié)果的效果并不是很理想。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種四象限乘法器。
本實(shí)用新型尤指一種將兩個(gè)時(shí)變信號(hào)相乘，產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的四象限乘法結(jié)果，且達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度的要求。本實(shí)用新型可應(yīng)用于1.電能計(jì)量方面，兩路輸入信號(hào)分別對(duì)應(yīng)于流過(guò)負(fù)載的電流和負(fù)載兩端的電壓；2.平方運(yùn)算(比如使兩路輸入信號(hào)相同，求其有效均方根值)，等等。本實(shí)用新型針對(duì)后者的缺點(diǎn)，在不增加硬件的前提下提高了乘法結(jié)果的信噪比。
本實(shí)用新型所述四象限乘法器必須至少包括兩路輸入信號(hào)、兩路第一級(jí)低通濾波器和一個(gè)多位元乘法器，還可以包括兩個(gè)高通濾波器和一個(gè)第二級(jí)低通濾波器。
在進(jìn)行乘法運(yùn)算前，對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相同的處理(第一級(jí)低通濾波和高通濾波)，這樣，送到乘法器的兩個(gè)信號(hào)本身的量化噪聲被衰減到很低的水平，乘積的噪聲平臺(tái)相應(yīng)地也就降到很小。同時(shí)，因?yàn)閮陕烦藬?shù)所經(jīng)過(guò)的信號(hào)處理完全一樣，所以不存在相位差，不需要相位預(yù)補(bǔ)償電路。表面上看來(lái)，這種架構(gòu)多增加了一路電路，而且乘法的位數(shù)也變多了，但實(shí)際上可以采用兩路信號(hào)時(shí)分復(fù)用一套電路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)，同時(shí)，乘法的位數(shù)雖然變多了，但速度降低了很多，所以可以采用串行移位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大幅減少電路的數(shù)量。采用該架構(gòu)的幾個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)是1.較高的精度。兩路輸入信號(hào)都采用LPF1和HPF進(jìn)行低通濾波和高通濾波，各自的帶內(nèi)噪聲和帶外噪聲都有較大幅度的衰減，其乘積的噪聲平臺(tái)被壓制在很低的值。
2.無(wú)相位差。由于對(duì)兩路輸入信號(hào)的處理過(guò)程完全一樣，不可能帶來(lái)相位誤差，所以，可省去相位預(yù)補(bǔ)償電路。
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于兩路輸入信號(hào)所經(jīng)過(guò)的處理完全一樣，所以采用時(shí)分復(fù)用的方式，用較少的硬件就可實(shí)現(xiàn)本架構(gòu)。


圖1是本實(shí)用新型四象限乘法器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2A、2B、2C為數(shù)據(jù)流頻譜圖。
圖3A、3B、3C為實(shí)際的調(diào)制器輸出的1-bit數(shù)據(jù)流頻譜圖。
具體實(shí)施方式
圖1是本四象限乘法器的框圖，各電路均為通用電路，本實(shí)用新型各部件間的連接如圖1所示，包括兩個(gè)調(diào)制器(M1，M2)、兩個(gè)第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)、兩個(gè)高通濾波器(HPF1，HPF2)、一個(gè)多位元乘法器A和一個(gè)第二級(jí)低通濾波器(LPF2)。
兩個(gè)調(diào)制器(M1，M2)提供兩路一位元的高速數(shù)據(jù)流(V1，V2)。該數(shù)據(jù)流(V1，V2)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為“1”與為“0”的個(gè)數(shù)的比例反映了送入調(diào)制器(M1，M2)的信號(hào)的幅度，從而提供了對(duì)模擬輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。
第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)功能是將調(diào)制器(M1，M2)輸入的一位元高速數(shù)據(jù)流做降頻處理，轉(zhuǎn)換成多位元低速數(shù)據(jù)流，同時(shí)降頻時(shí)進(jìn)行抗混迭。這樣，第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)濾掉了調(diào)制器(M1，M2)輸入信號(hào)的被“噪聲整形”到高頻段的量化噪聲。
高通濾波器(HPF1，HPF2)的功能是對(duì)模擬調(diào)制器(M1，M2)中模擬器件帶來(lái)的直流偏置成分作一定的衰減。
多位元乘法器A是針對(duì)兩個(gè)確定的乘數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算。
第二級(jí)低通濾波器(LPF2)功能是對(duì)乘法器的結(jié)果作低通濾波，一方面對(duì)兩路調(diào)制器(M1，M2)的輸出(乘數(shù))的高頻量化噪聲盡一步衰減，從而達(dá)到更好的精度；另一方面，當(dāng)作為電能計(jì)量應(yīng)用時(shí)，可以對(duì)乘積的非直流成分有一定的衰減。
時(shí)域上信號(hào)的相乘可以看作頻域上信號(hào)的卷積，故當(dāng)本架構(gòu)的2個(gè)輸入信號(hào)(V1，V2)中任意一個(gè)帶入噪聲，它都會(huì)與另一輸入信號(hào)相卷積而在其乘積中產(chǎn)生額外噪聲，即噪聲頻率與乘積響應(yīng)頻率在頻域的疊加和相減。從中可看到，若未經(jīng)過(guò)低通濾波處理，帶有噪聲的信號(hào)的乘積在頻域的噪聲平臺(tái)會(huì)對(duì)應(yīng)于2路輸入信號(hào)的噪聲平臺(tái)而抬升。
實(shí)際的調(diào)制器輸出的1-bit數(shù)據(jù)流頻譜如圖3A/圖3B所示，量化帶來(lái)的白噪聲被“噪聲整形”到較高頻率段。若直接輸入乘法器，則乘積的頻譜如圖3C所示。頻譜卷積提供了頻域上所有頻率的疊加和相減，那么調(diào)制器的高頻噪聲則會(huì)與本身相減而被轉(zhuǎn)換到所關(guān)心的低頻段，從而將乘積的低頻段的噪聲平臺(tái)抬升到很高。
所以在如圖1所示的實(shí)際架構(gòu)中，調(diào)制器產(chǎn)生的兩路一位元數(shù)據(jù)流將被第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)，低通濾波后才送到多元乘法器A。經(jīng)過(guò)第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)低通濾波后的數(shù)據(jù)流，其高頻量化噪聲已被衰減到很低，這樣，乘積在關(guān)心的較低頻段噪聲平臺(tái)會(huì)很低。
采用該架構(gòu)的幾個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)是
1.較高的精度。兩路輸入信號(hào)都采用第一級(jí)低通濾波器和高通濾波器進(jìn)行低通濾波和高通濾波，各自的帶內(nèi)噪聲和帶外噪聲都有較大幅度的衰減，其乘積的噪聲平臺(tái)被壓制在很低的值。
2.無(wú)相位差。由于對(duì)兩路輸入信號(hào)的處理過(guò)程完全一樣，不可能帶來(lái)相位誤差，所以，可省去相位預(yù)補(bǔ)償電路。
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于兩路輸入信號(hào)所經(jīng)過(guò)的處理完全一樣，所以采用時(shí)分復(fù)用的方式，用較少的硬件就可實(shí)現(xiàn)本架構(gòu)。
綜上所述，本實(shí)用新型的架構(gòu)、目的、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法等皆已詳細(xì)說(shuō)明，充分表明本實(shí)用新型應(yīng)用于四象限乘法器實(shí)現(xiàn)上的進(jìn)步性，較具先進(jìn)性，且為目前所未見(jiàn)。
以上所述，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)現(xiàn)例子而已，并不能用來(lái)限制本實(shí)用新型適用范圍，當(dāng)然，該架構(gòu)的兩個(gè)輸入信號(hào)也可以是其他來(lái)源的多位元數(shù)據(jù)流。即凡是根據(jù)本實(shí)用新型申請(qǐng)權(quán)利要求范圍所作的些許改變和修飾，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求1.一種四象限乘法器，其特征在于所述四象限乘法器必須至少包括兩路輸入信號(hào)(V1，V2)、兩路第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)、兩個(gè)高通濾波器(HPF1，HPF2)和一個(gè)多位元乘法器(A)，輸入信號(hào)(V1，V2)分別輸入到調(diào)制器(M1，M2)，兩個(gè)調(diào)制器(M1，M2)，對(duì)模擬輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換提供兩路一位元的高速數(shù)據(jù)流，調(diào)制器(M1，M2)分別接第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)。第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)分別將調(diào)制器(M1，M2)輸入的一位元高速數(shù)據(jù)流做降頻處理，轉(zhuǎn)換成多位元低速數(shù)據(jù)流，同時(shí)降頻時(shí)進(jìn)行抗混迭，濾掉調(diào)制器(M1，M2)輸入信號(hào)(V1，V2)的被“噪聲整形”到高頻段的量化噪聲，第一級(jí)低通濾波器(LPF11，LPF12)的輸出分別接高通濾波器(HPF1，HPF2)，高通濾波器(UPF1，UPF2)對(duì)調(diào)制器(M1，M2)中模擬器件帶來(lái)的直流偏置成分作一定的衰減，高通濾波器(UPF1，UPF2)的輸出均接多位元乘法器(A)，多位元乘法器(A)針對(duì)兩個(gè)確定的乘數(shù)進(jìn)行乘積運(yùn)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限乘法器，其特征在于還可包括第二級(jí)低通濾波器(LPF2)對(duì)乘法器的結(jié)果作低通濾波，對(duì)兩路調(diào)制器的輸出的高頻量化噪聲盡一步衰減，也可對(duì)乘積的非直流成分有一定的衰減，第二級(jí)低通濾波器(LPF2)的輸入端與多位元乘法器(A)的輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四象限乘法器，其特征在于該乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)是其他來(lái)源的多位元數(shù)據(jù)流。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種四象限乘法器，其特征在于所述四象限乘法器必須至少包括兩路輸入信號(hào)、兩路第一級(jí)低通濾波器和一個(gè)多位元乘法器。所述四象限乘法器還包括兩個(gè)高通濾波器和一個(gè)第二級(jí)低通濾波器。兩個(gè)調(diào)制器提供兩路一位元的高速數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為“1”與為“0”的個(gè)數(shù)的比例反映了送入調(diào)制器的信號(hào)的幅度，從而提供了對(duì)模擬輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。
文檔編號(hào)G06F7/44GK2609058SQ0224929
公開(kāi)日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2002年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月18日
發(fā)明者丁然, 何積軍 申請(qǐng)人:珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司