一种数字信号滤波电路及方法

技术领域

本发明涉及数字信号滤波领域，尤其涉及一种数字信号滤波电路及方法。

背景技术

在大部分集成电路中，DIO传输、芯片间的数字接口、通讯上的数据接口都会涉及到数字信号的传输。在数字信号传输中，经常会受到外界的干扰，接触器动作、电源开关、静电闪电等都会带来大幅值抖动的杂波，这样可能导致数字信号传输错误。数字信号的处理过程中，现在需要快速、实时、准确，并且要求越来越高。

现有数字信号滤波电路采用电容滤波和数字电路滤波方式，或者两者结合方式。

电容滤波采用阻容和π型滤波，针对大幅值抖动的杂波滤波输出延时太大，而且器件参数差异大，滤波效果有明显差异，非常影响后续信号的判断。因此电容滤波具有抗干扰能力差、延时长、结果差异大、输出结果不准确等缺点，无法胜任现在数字信号处理电路的要求。

在现有的数字滤波电路中，对于小幅值的杂波滤除效果好，但对于接触器动作、闪电带来的大幅值的滤波效果差，特别容易产生错误的脉冲输出，影响后续通讯接口、数据传输和CPU工作。

综上所述，现有技术中的数字信号滤波电路存在延时长或滤波不彻底的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种数字信号滤波电路及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种数字信号滤波电路，所述滤波电路包括：

信号隔离模块、数字滤波模块和放大滤波模块；

所述信号隔离模块接收输入信号，包括光耦隔离、电阻二极管分流电路，滤除小于第一阈值电压的杂波，输出第一方波信号；

所述数字滤波模块接收所述第一方波信号，采用数字电路捕捉所述第一方波信号的起始上升沿和下降沿，并合成方波信号，滤除掉所述第一方波上的第一杂波信号，所述第一杂波信号为输入信号上小于第二阈值电压的杂波传输到第一方波上的，输出第二方波信号；

所述放大滤波模块接收所述第二方波信号，包括三极管、第二杂波滤波电路，滤除所述第二方波信号中的第二杂波信号，所述第二杂波信号为所述输入信号上的大于第二阈值电压的杂波传输到第二方波上的，获得第三方波信号。

可选的，所述信号隔离模块具体包括：隔离光耦、电阻二极管分流电路和保护二极管。

所述光耦发光二极管的阴极接输入信号，电阻二极管串联电路、保护二极管与光耦发光二极管并联，实现大幅值抖动杂波滤除和电信号隔离，光耦输出为第一方波信号。

可选的，所述数字滤波模块具体包括：第一杂波滤波电路和合成信号电路，滤除掉所述第一杂波信号，并捕捉起始的上升沿和下降沿。

可选的，所述第一杂波滤波电路具体包括：触发器和延时复位模块；

所述触发器为边沿触发器，分上升沿触发器和下降沿触发器，上升沿触发器的数据端接高电平，时钟端接所述第一方波信号；下降沿触发器两个数据端分别接高电平和低电平，时钟端接所述第一方波信号；两触发器的复位端与所述延时清零单元输出端连接；两触发器的Q输出端连接所述延时清零单元；两触发器的Q输出端分别输出捕捉的上升沿和下降沿信号。

可选的，所述合成信号电路具体包括：触发器；所述触发器的数据端接所述上升沿信号，时钟端接所述的下降沿信号，输出端为第二方波信号；

可选的，所述放大滤波模块具体包括：三极管、第二杂波滤波电路、非门电路；

所述第二杂波滤波电路分高电平滤波和低电平滤波电路，当三极管输入端信号跳转时，滤波电路利用不同电路分支滤除掉所述第二杂波；

所述三极管的基极接所述的第二方波信号，三极管的CE端与第二杂波滤波电路并联，并接非门电路，非门电路输出所述第三方波信号。

可选的，所述第一幅值阈值为：19V，输入信号为0-24V的数字信号。

可选的，所述第二幅值阈值为22V，输入信号为0-24V的数字信号。

本发明还提供了一种数字信号滤波方法，应用上述所述的一种数字信号滤波电路，滤波方法包括：

滤除输入信号中的小于第一幅值阈值的杂波，并与输入信号电气隔离，输出第一方波信号；

滤除掉所述第一方波上的第一杂波信号，捕捉所述第一方波信号的的起始上升沿和下降沿，并合成方波信号，输出第二方波信号；

滤除所述第二方波信号上的第二杂波信号，获得第三方波信号。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种数字信号滤波电路原理图；

图2为本发明实施例提供的信号隔离模块的电路图；

图3为本发明实施例提供的数字滤波模块电路图；

图4为本发明实施例提供的放大电路模块图；

图5为本发明实施例提供的一种数字信号滤波电路器件连接图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种数字信号滤波电路，具体包括低延时滤除高幅值杂波的信号隔离模块1，接收输入信号，采用光耦隔离和电阻二极管串联电路并联，电阻二极管串联电路优先导通可以滤除高幅值杂波，输出方波信号。

滤除小幅值杂波的数字滤波模块2，接收隔离模块1的输出信号，采用数字电路两种触发器(D触发器和JK触发器)捕捉方波信号的的起始上升沿和下降沿，利用触发器的特性滤除掉小抖动杂波。输出方波信号2。

滤除高频杂波的放大滤波模块3，接收数字滤波模块2输出的方波信号2，采用三极管反向放大方波信号；采用高电平滤波电路组成电容充电电路，滤除方波信号2低电平的高频杂波；采用低电平滤波电路组成电容放电电路，滤除方波信号2高电平的高频杂波。

所述的小幅值杂波是输入信号上小于第二阈值电压的杂波传输到所述第一方波上的，所述高频杂波是输入信号上的大于第二阈值电压的杂波传输到所述第二方波上的。

低延时滤除大幅值抖动杂波的隔离模块1：

隔离模块1采用光耦隔离电路和大幅值滤波电路。大幅值滤波电路是根据光耦的低电流导通特性专门设计的，避免光耦隔离电路在输入数字信号含有较大幅值杂波时，光耦输出错误信号。具体电路电阻二极管串联电路与光耦的发光二极管、保护二极管并联，利用电阻二极管优先导通，能滤除高幅值杂波，并能实现输入输出的电气隔离，输出数字方波信号1。

如图2所示，信号输入端分别与第一二极管的正极和第二二极管的负极连接；

所述第二二极管的正极与第二电阻的一端连接，所述第一二极管的负极与所述第二电阻的另一端连接；

所述光耦隔离的发光二极管并联在所述第一二极管的两端；

第一电阻的一端与电源正极连接，另一端与所述发光二极管的正极和所述第一二极管的负极连接；

所述光耦隔离中的三极管输出信号，第一输出端DIN1与第三电阻的一端连接，第三电阻另一端与电源连接。

具体滤波原理：

当输入DIN为高电平时，并带有抖动杂波，DIN1应为高电平。如果只有光耦电路，DIN1不是单纯的高电平，会含有低电平杂波。光耦并联二极管电阻串联电路，当DIN中的杂波(比高电平低的杂波)到来时，首先电阻二极管串联电路RK2和DK2导通，分得一部分电流，导致流过T1中发光二极管的电流比较小，无法触通输出部分，输出还为高电平。因此光耦并联二极管电阻电路滤除了大部分杂波带来的干扰。

一个滤除小抖动杂波的数字滤波模块2：

数字滤波模块2采用数字电路的两种边沿触发器，D触发器和JK触发器，捕捉数字方波信号的起始上升沿和下降沿。利用触发器间的相互配合，滤除掉输入信号上小于第二幅值阈值的杂波带给数字方波信号1的影响，输出数字方波信号2。

如图3所示,电路组成：电路分为三部分，高电平小杂波滤波模块、低电平小杂波滤波模块和合成信号模块。

一个滤除小抖动杂波的滤波模块2，滤波模块2接收隔离模块1的输出信号，因为输入信号的杂波幅值大于第一阈值电压时，光耦导通，输出为低电平，并且光耦在低电流导通时输出是线性的，数字方波信号1就含有小幅值杂波，不是单纯的高低电平。单独的光耦隔离更是如此。滤波模块2采用数字电路两种触发器(D触发器和JK触发器)捕捉输入信号的的起始上升沿和下降沿，利用触发器的特性滤除掉小抖动杂波，起始上升沿和下降沿信号经过合成信号模块输出方波信号2。

所述D触发器的第一引脚与延时清零信号连接；第二引脚ID与电源正极连接；第三引脚ICLK与信号输入端口连接DIN1(即第一方波信号)；

第五引脚IQ为捕捉方波的上升沿脉冲信号DIN2-UP，与第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端分别与延时电容C86的一端和时钟信号连接，所述延时电容C86的另一端与地线连接；

具体滤波原理：

高电平小杂波滤波模块采用D触发器和延时模块，D触发器捕捉输入信号数字方波信号1的有效起始上升沿，由于光耦在低电流导通时输出为线性的，所以数字方波信号1含有小幅值的抖动杂波。高电平小杂波滤波模块利用数字电路的输入具有很宽的噪声容限特性，对小幅值的杂波干扰不响应，进而滤除杂波。延时清零模块的输出连接D触发器的清零端，使D触发器输出窄脉冲，进而更能滤除杂波干扰。

JK触发器的第一引脚CLK与所述第一输出端DIN1即第一方波信号连接；

第三引脚K与地线连接；第十四引脚J与电源正极连接；

第二引脚CLR与所述延时清零单元连接；

第十二引脚为捕捉的方波下降沿脉冲信号DIN2-DOWN；

第十二引脚与第九电阻的一端连接，另一端与第三电容CL3的一端连接，所述第三电容CL3的另一端接地线；

第九电阻的另一端与所述非门的第三引脚连接，非门的第四引脚输出延时清零信号。

具体滤波原理：

低电平小杂波滤波模块采用JK触发器和延时模块，JK触发器捕捉输入信号DIN1的有效起始下降沿。滤波原理同高电平小杂波滤波模块一样。

合成信号模块采用D触发器U1B，连接关系如图所示，将D触发器和JK触发器输出的上升沿和下降沿信号合成方波信号，并进一步滤除杂波。

第十一引脚与方波上升沿连接；

第十二引脚与电源正极连接；

第十三引脚与方波下降沿脉冲连接；

第九引脚为合成的第二方波信号；

一个滤除高频干扰杂波的放大滤波模块3：

放大滤波模块3采用三极管和高低电平不同的滤波电路滤除数字方波信号2的高频干扰杂波。利用三极管和电容不同的充放电电路，既都能滤除掉高低电平的高频杂波信号，还能实现低延时输出。

如图4所示，具体电路：采用三极管、三极管集电极电阻、二极管1、电容组成电容充电电路，滤除方波信号2低电平时的高频杂波；采用三极管、二极管2、电容组成电容放电电路，滤除方波信号2高电平时的高频杂波，最后接非门电路，输出第三方波信号。

放大滤波模块具体包括：三极管、第十四电阻、第三二极管、第四二极管、第十六电阻、第四电容，非门电路；

三极管基极与所述第二方波DIN2连接，集电极与所述第十四电阻连接，发射极与地线连接；

集电极与所述第三二极管的正极连接，与所述第四二极管的负极连接；

第四二极管的正极与所述第十六电阻的一端连接，第十六电阻的另一端与所述第三二极管的负极连接，还与非门连接，非门与第三输出端DIN3连接；

第三输出端DIN3与第四电容的一端连接，电容另一端与地线连接。

电路原理：触发器输出的DIN2信号输入到三极管的基极，当DIN2信号为高电平时，三极管Q2导通，集电极输出低电平，非门电路输出高电平。当DIN2信号含有低电平杂波时，三极管应截止输出高电平并给电容充电，若此时DIN2信号的低电平时间小于充电时间常数，在电容CL4充电完成之前，DIN2信号就升为高电平，三极管Q2导通，集电极输出低电平，电容CL4在没有充满电就进行放电，滤波电路就一直输出低于非门输入门槛值的低电平，非门就一直输出高电平，所以滤除了DIN2信号上的窄脉冲杂波；同样，因为电容CL4放电回路为CL4-RK16-DK4-Q2,不是单一的CL4-Q2，起到滤波效果，DIN2信号掺杂一窄脉冲高电平时，窄脉冲高电平到来时，Q2导通，集电极输出低电平，电容CL4放电，如果电容CL4在放电完成之前，窄脉冲结束，那电容CL4转为充电,滤波电路就一直输出高于非门输入门槛值的高电平，非门就一直输出低电平，滤除了DIN2信号上的窄脉冲杂波。

如图5所示，一种数字信号滤波电路的整体电路图。

有益效果：采用数字滤波电路、隔离滤波电路和放大滤波电路，隔离滤波电路采用光耦隔离电路和幅值滤波电路，数字滤波电路采用两种触发器，放大滤波模块采用三极管和高低电平的不同滤波电路，三部分电路的结合能够分幅值和频段滤除输入的数字信号的杂波干扰信号，输出干净、低延时的数字方波信号。优点：多重滤波，具有良好的电绝缘隔离，克服了现有技术中的诸多缺点，抗干扰性强，工作稳定，并且延时短，具有很好的实时性。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。