粒子探測器讀出電路數(shù)字濾波器設計

　　對四個子模塊單獨設計，再級聯(lián)就可以得到整個濾波器的整體結(jié)構(gòu)，最終的濾波器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面詳細介紹各個模塊的設計。

　　H1(z)的結(jié)構(gòu)設計

　　結(jié)構(gòu)設計指的是將線性常系數(shù)差分方程描述的系統(tǒng)用加法、乘以系數(shù)和延遲等基本運算模塊的互聯(lián)所組成的結(jié)構(gòu)來表示。不同的結(jié)構(gòu)，不僅需要的資源是不一樣的，更重要的是，在數(shù)值精度有限的時候，它們在性能上可能有很大的差異，這個也是為什么要結(jié)構(gòu)設計的原因。

　　濾波器的結(jié)構(gòu)有很多形式，例如對于IIR濾波器，就有直接Ⅰ型、直接Ⅱ型以及他們的轉(zhuǎn)置形式，而這些形式又可以通過級聯(lián)和并聯(lián)組成更加復雜的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)之間的差別在于：

　　1. 直接Ⅰ型和直接Ⅱ型所需要的延遲單元數(shù)目為傳遞函數(shù)中分子和分母延遲單元數(shù)目之和，而它們的轉(zhuǎn)置形式所需要的延遲單元數(shù)目為分子分母中延遲單元數(shù)目的最大者，所以直接Ⅰ型的轉(zhuǎn)置形式和直接Ⅱ型的轉(zhuǎn)置形式所需要的延遲單元較少。

　　2. 直接Ⅰ型的轉(zhuǎn)置形式和直接Ⅱ型的極點實現(xiàn)在前面，直接Ⅰ型和直接Ⅱ型的轉(zhuǎn)置形式的則相反，零點實現(xiàn)在前面。實現(xiàn)一個極點相當于積分操作，輸出有可能產(chǎn)生溢出，而零點相當于微分操作，輸出可能產(chǎn)生較大的截斷誤差。這樣，他們的先后次序?qū)ο到y(tǒng)性能影響很大，需要根據(jù)輸入信號的形式選擇零極點的實現(xiàn)次序。

　　對于()1Hz子模塊，它有一個極點和一個零點，輸入信號是指數(shù)衰減信號，如果先實現(xiàn)極點，那么就相當于對輸入的指數(shù)衰減信號積分，必然會產(chǎn)生溢出，得到錯誤的結(jié)果，所以只能采用先實現(xiàn)零點的方式，也就是選擇直接Ⅰ型或者是直接Ⅱ型的轉(zhuǎn)置形式，考慮到減小延遲單元的個數(shù)，選擇直接Ⅱ型的轉(zhuǎn)置形式作為()1Hz子模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，得到其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　延遲數(shù)可調(diào)的延遲模塊設計

　　在子模塊H2(z)，H3(z)中，都含有延遲數(shù)很大的延遲單元kz−，lz−，為了適應不同的噪聲環(huán)境，還需要延遲數(shù)目k，l是可調(diào)的，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

　　如圖4所示，延遲模塊的核心是一個雙口RAM，但是數(shù)據(jù)不是在寄存器中流動，而是通過改變寫和讀的地址來實現(xiàn)延遲的，它的實現(xiàn)原理可以總結(jié)為以下幾點：

　　● 通過輸入地址計數(shù)器控制依次寫入數(shù)據(jù);

　　● 通過輸出地址計數(shù)器控制依次讀出數(shù)據(jù);

　　● 延遲單元個數(shù)由異步復位時對輸入地址計數(shù)器和輸出地址計數(shù)器賦初值的差異來確定。

　　● 由于輸出不能有不確定的值，所以在每一次復位之后，如果輸出地址計數(shù)器所指向的存儲單元的值不確定，就輸出0，否則輸出地址計數(shù)器所指向的存儲單元的值。這個需要一個復位計數(shù)器來控制是輸出0還是M中的值。

　　這樣，只需要在復位之前設定 DelayNum的值，就可以在復位的時候?qū)斎氲刂酚嫈?shù)器和輸出地址計數(shù)器賦值來設定延遲單元的延遲數(shù)為DelauNum。而且，這樣的實現(xiàn)方式對于降低功耗也是是很有作用的，例如，對于一個延遲數(shù)是100的延遲單元，如果采用一般的實現(xiàn)方式，數(shù)據(jù)在寄存器中流動，那么每個時鐘觸發(fā)沿有100個寄存器需要讀寫，而采用上面所用的方式，只需要對兩個寄存器指向的RAM單元讀寫就可以了，雖然增加了一些外圍控制電路，但是開銷相對很少。此外，由于可以采用工藝廠商提供的雙口RAM宏單元，相對于寄存器組實現(xiàn)方式，可以大幅度降低芯片的面積和功耗。