采样率转换器、模拟—数字转换器及转换数据流的方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于将数据流从一个采样率转换成另一个的装置及其方法。本公开内 容还涉及模拟一数字转换器，例如包括数据率转换部分的Σ- △转换器。
【背景技术】
[0002] 人们知道模拟一数字转换器可以用于数字化输入信号。还知道使用处理技术，例 如傅立叶变换分析，分析和比较重复波形的参数。在一些分析的形式中用户希望在重复波 形的单个周期上有恒定数目的采样点，例如正弦波，即使波形的基本频率略有不同。这样的 分析可以由配电公司执行，例如，以监测发电和供电系统的性能。电力以额定频率提供，通 常约50Hz或60Hz。然而，实际上供电频率可以在有限的但是容许的范围内变化。这要求模 拟一数字转换器产生的数据采样率变化以便在单个周期内出现相同数目的采样点。
【发明内容】
[0003] 根据本发明的第一个方面提供了设置以输入采样率Fs接收数字数据并且以输出 采样率Fci输出数据的采样率转换器，其中F F S/N，并且N是大于1的采样因子。采样率 转换器至少包括Q个通道。每个通道包括设置以预定的时间间隔从一系列P输入信号中选 择输入信号的滤波器并且形成所选择输入信号的加权和以产生输出值，并且一个通道的一 系列P输入信号从其他通道的一系列P信号偏移。有利地，滤波器具有L阶。
[0004] 有利地，采样因子是用户可编程的，并且可以由计数输入采样率Fs接收的输入采 样的计数器计算出。
[0005] 每个通道可以包括适当的数据处理装置以便形成所选择输入信号的加权和。在一 些实施例中，数据处理电路可以是乘法和累加电路（MC)的形式。为了速度和可靠性，乘法 和累加电路可以提供为专用硬件。然而，也可以使用基于软件或混合解决方案。
[0006] 所选择的输入采样中的一个可以通过从任意参考计数已经到达的输入采样数目 来识别。在滤波器和采样率转换器的实施例中，滤波器是第Q阶滤波器（L = Q)并且至少 Q+1个采样进行组合以形成加权平均。其中Q+1采样被组合，Q+1采样的每一个由S个输入 采样与其他另一个采样分离，其中S是等于或近似于N的整数。在一些实施例中，S是在小 于或等于N-I至小于或等于N+1的范围内。
[0007] 如果要求或需要，可以使用其它滤波器阶或设计。另外，滤波器的性能可以被修改 以改变每一级中N的值。它也可以是有利地当选择滤波器的响应因为，简单地，N(或S)的 每个值在滤波响应中置入陷波并且从一级到下一级使用稍微不同的N(或S)的值允许滤波 器响应（例如，每一级陷波的位置）略有不同。
[0008] 有利地，每个通道依次选择以得到输出。优选地，当以给定的（不变的）的采样因 子工作时，通道的输出相对于输入采样率在时间上被相等地间隔。
[0009] 在一些实施例中每个通道可以包括两个或多个处理电路，每个设置以形成所选 择的输入信号的各自的加权和，其中，给定的通道的每个处理电路的输入信号在时间上与 给定的通道的另一个处理电路使用的其他输入信号偏移。偏移量通常是低数目的输入信 号。在一些实施例中，通道内一个信号处理电路到通道内下一个信号处理电路的偏移量是 1(一个）输入信号采样。通道内多处理电路的使用使得处理电路的结果进行组合以便合成 非整数采样因子。内插因子可以被计算并且增加到通道之一的输出以便计算非整数采样因 子的输出。如果需要的话，结果可能是外插而不是内插。
[0010] 来自通道的结果的输出可以被任意地延迟以便提高通道间输出结果的提供的时 间对准。
[0011] 优选地，采样因子可以由用户实时更新，而不会引发稳定时间或引起其中数据不 可用或不可靠的窗口。为了实现这个目的，每个正在计算输出采样的通道被允许使用预先 存在的采样因子继续完成其计算。然而，一旦新的采样因子已被请求，已经完成它的计算的 通道基于新的采样因子变得变得可用以开始计算。通道可以直接地使用新的采样因子进行 加载。因此，从一个采样率到另一个采样率移动时，在滤波器的输出可以再次使用之前，没 有必要等待滤波器中的数据刷出与重填。
[0012] 根据进一步实施例，提供了模拟数字转换器，相对于第一个方面它包括所描述的 滤波器采样率转换器。根据本公开的又一方面提供了执行采样率转换的方法，包括接收进 行采样的输入信号，并且在至少Q个通道内处理信号，每个通道包括串联布置的Q个微分 器，并且其中每个通道从P信号至少选择Q+1个输入信号以形成加权求和，并且每个通道的 一系列P信号彼此偏移。
【附图说明】
[0013] 采样率转换器的实施例以及采用这种采样率转换器的电路，现在通过非限定示例 的方式，参考附图将予以描述，其中：
[0014] 图1是包括采样率转换级的模拟一数字转换器的框图；
[0015] 图2是示出了已知的采样率转换级的结构的电路图；
[0016] 图3是构成本公开的实施例并且可操作复制图2中所示的布置的功能的滤波器和 采样率转换器的实例；
[0017] 图4是根据本公开适用于执行滤波和采样率转换操作的信号处理电路的原理图；
[0018] 图5是具有多个以顺序的方式被选择并且构成本公开的实施例的通道的滤波器 和采样率转换器的示意图；
[0019] 图6是滤波器和采样率转换器的电路图，其中多个通道被提供，每个通道包括各 自的第一和第二处理电路，与处理器一起用于组合它们的结果以便分数"非整数"采样因子 的使用。
[0020] 图7是显示稳定状态期间实施例的操作的时序图；
[0021] 图8显示了当从一个输出数据率过渡到新的输出数据率时可以用于减少时延的 更新序列；
[0022] 图9显示了当在旧的和新的数据率间过渡时第二个更新序列；
[0023] 图IOaUOb显示了用于数据率间过渡的又一个更新序列；和
[0024] 图11显示了提供作为模拟数字转换器的一部分的采样率转换器。
【具体实施方式】
[0025] 如教导中指出的，监测系统的性能可能是有用的。因此，如果电力公司希望在相量 图中以相当于一度的分辨率监测具有50赫兹的标称频率的电压供给，然后每个周期获得 360个采样，模拟一数字转换器将需要以18千赫采样。但是，电力公司通常允许频率漂移以 适应负载的变化。如果3%的漂移被允许发生，则一个周期内发生的采样数将不同于上面给 出的360的实例，并且每个周期可能会降至349. 5个或增加到371. 1个采样。
[0026] 为了分析的目的，与每个周期恒定数目的采样一起工作可能是方便的，即使输入 频率可能变化。当采样时钟可能与其他系统时钟绑定时，保持调整采样率通常是不方便 的。因此，允许进行采样率转换使得以输入采样率发生一系列采样是有利的，它可以是常量 (但在某些系统中不需要）可以被转换为不同的采样率。这一转换包括以高于输出采样率 的输入采样率采样输入信号。差是采样因子N。N不必是整数，并且可能相当大。通常N可 以采取大于1的任何值。在电力线监测系统的情况下，N可能在几百到一千的范围内，典型 值为600至700左右。
[0027] 因此，采样率可能需要高得多，例如约一百万个采样每秒标记。这不是特别繁重， 因为具有8MHz以上输入采样率的Σ- △转换器从模拟设备是可得到的。
[0028] 图1是模拟一数字转换器的框图，它包括用于调整输出采样数据率，而不需要调 整输入时钟速率的装置。模拟一数字转换器，通常表示为10,包括由来自采样时钟14的采 样率F s驱动的输入级12。如本领域技术人员所知Σ- Δ转换器以时钟频率F 3输出一个 或多个脉冲串到积分器16的一个或多个输入。为了图解的简单，在Σ- △转换器12和积 分器16之间仅显示单个信号路径，但是实际上信号路径可能包括每个以时钟频率Fs的多 个数据路径。积分器16可以包括一系列积分器。每个积分器可能保持相对大的正的或负 的值，而没有上溢或下溢。然而，如本领域内的技术人员所知道的可以允许积分器溢出并且 环绕在辛克滤波器中。因此，积分部件16中的积分器的数据宽度可能从一个积分器到下一 个积分器渐进地变大。积分部件16的输出，现在可以多位字被提供给抽取器20。抽取器 20具有采样因子N，其中，为简单起见，采样因子N是整数，也就是积分器16每计数N个输 出并且允许从抽取器20的输出传送到微分器22的输入。微分器22包括多个级联的微分 器，正被选择的微分器的数目通常匹配积分器的数目。电路（不包括Σ- △转换器），可 以完全实现在数字硬件中。
[0029] 图1还显示，在圆括号中，每个电路元件的输出的数据率。因此，Σ- Δ模拟一数 字转换器12的输出的数据率是Fs。积分器16的输出的数据率也是Fs。抽取器的输出的数 据率与微分器的输出的数据率是
[0030] 图2示意性、更详细地示出了可操作执行积分器16、抽取器20和微分器22的功能 的电路。这些组件接收模拟一数字转换器12的输出。
[0031] 在这个例子中，积分器16包括按顺序布置的三个第一阶积分级。第一积分级16. 1 包括与第一延迟元件32相连的第一加法器30。延迟元件32接收加法器30的输出，并且锁 存它，使得一个时钟周期以后或更严格一个输入采样以后信号在延迟元件32的输出可用。 这是本领域技术人员所知道的并且使用标准符号Z 1表示。