Sinc3 Filter von VHDL in Bit Logik umsetzen

https://www.ti.com/lit/an/sbaa094/sbaa094.pdf
(Da ist auch VHDL Code mit dabei.)

Beitrag "Delta-Sigma-Modulator und SINC3 Filter"

Für den Anfang kannst du auch mal einen gleitenden Mittelwert bauen. Z. 
B. ein langes Schieberegister und einen Zähler. Zum Zählerstand addierst 
du immer den Wert der ins Schieberegister rein geht und subtrahierst den 
Wert der aus dem Register hinten rausfällt.
Der Zählerstand ist dann quasi dein Analogsignal. Und das kannst du noch 
mit einem Tiefpass filtern.

FPGA halte ich da auch überzogen, das sollte ein uC schon schaffen.

-gb- schrieb:
> Für den Anfang kannst du auch mal einen gleitenden Mittelwert bauen. Z.
> B. ein langes Schieberegister und einen Zähler. Zum Zählerstand addierst
> du immer den Wert der ins Schieberegister rein geht und subtrahierst den
> Wert der aus dem Register hinten rausfällt.

.. und das Ganze dann 3x hintereinander und man hat den Integrator des 
SINC-Filters. Dann das Ganze rückwärts und man hat den Differentiator 
und damit den kompletten SINC.

Dazu muss man eben wieder so bauen, wie man das in den 80ern gemacht 
hat: Denken, malen und den Kollegen drüberschauen lassen. Dann kommt die 
Platine. Wer das nicht konnte, baute Lochraster.

Heute würde man das sicher mit in einem FPGA "prototypen".

Hallo und vielen Dank für die ganzen Antworten!

Mir wird erschreckend bewusst das ich null Ahnung von digitalen Filtern 
und eine Menge Mathematikdefiziete habe.
Ich werde mir wohl erstmal etwas Lektüre zulegen und mich mit der 
digitalen Signalverarbeitung beschäftigen aber dafür bin ich hier dann 
im falschen Forum.

Für Interessierte:
Als Mikrocontroller kommt ein ESP32-S3 zu Einsatz. Dieser soll mit einer 
DSP Library auch einige Filter zur Verfügung stellen daher werde ich 
mich damit auseinander setzen. (https://github.com/espressif/esp-dsp)

-gb- schrieb:
> Für den Anfang kannst du auch mal einen gleitenden Mittelwert bauen.
Danke für den Vorschlag ich werde mich mal mit dem gleitenden Mittelwert 
beschäftigen!

Dergute W. schrieb:
> In deinen Bildern fehlt eine wichtige Groesse: Die Breite der Busse.
Da ich am ADC nur einen digitalen Pin als Datenausgang und einen 
Clockeingang habe nehme ich an das es sich um eine Busbreite von einem 1 
Bit handelt!?

Dergute W. schrieb:
> Aufm Prozessor kanns gut sein, dass du mit einer anderen Filterstruktur
> besser faehrst als mit CIC. Je nach Prozessor tun Multiplikationen nicht
> so weh' und man muss sie evtl. nicht unbedingt vermeiden.
Werde ich im Hinterkopf behalten vielen Dank!

Uwe B. schrieb:
> Genau, Du hast dass alles noch nicht ausprobiert, verdrahtest aber
> Deinen Entwurf dann fest mit 74'ern und es funktioniert auf Anhieb?
Die Fragestellung war ja in erster Linie ob ich den Schaltplan mit den 
ALU richtig gedeutet habe und die Umsetzung in "reine" Logik so richtig 
ist. Die Wahl das ins VHDL Forum zu posten begründete sich darauf das zu 
dem Schalt auch die Implementierung in VHDL mit in der PDF stand.
Da ich aber noch keinen Schimmer von VHDL habe nutzt mir dieser noch 
nicht all zu viel.
Platinen mache ich hier in unter einer Stunde mit Laserdrucker, 
Laminiergerät und Eisen3 fertig und aus Faulheit zu bohren hau ich da 
SMD Bauteile drauf und dann wird mal geguckt was dabei raus kommt.

M. W. schrieb:
> Dazu muss man eben wieder so bauen, wie man das in den 80ern gemacht
> hat: Denken, malen und den Kollegen drüberschauen lassen. Dann kommt die
> Platine. Wer das nicht konnte, baute Lochraster.

Leider fehlt mir der Kollege der drüberschauen kann aber ansonsten ist 
das meine Vorgehensweise. Kleine Sachen werden auf die schnelle in 
SprintLayout zusammen geknüppelt und komplexere Sachen in KiCad, da das 
Auge mit lötet scheue ich Lochrasterplatinen und mach lieber auf die 
schnelle ein passende Platine fertig.

Tim  . schrieb:
> SINC-Filter kann man aber auch sehr effizient auf einer MCU
> implementieren. (Addieren, Substrahieren)
Die Aussage macht mir Mut, ich werd mein bestes geben mir das nötige 
Wissen anzueignen!

Tim  . schrieb:
> Wenn die Datenrate nicht zu hoch ist, wäre das sicherlich der beste Weg.
> In der Standardbeschaltung des AMC3306 wird ja auch eine MCU verwendet.
Interessant wäre für mich alles unterhalb von 5kHz, nach meiner Rechnung 
wären bei einem Takt von 20MHz, Oversampling von 64 und 16 Bits per 
Sample eine Samplerate von ~19500 Samples pro Sekunde drin. Halbe 
Abtastfrequenz nach Nyquist-Shannon sind dann noch 9,750kHz also sollte 
ich mit meinen 5kHz locker hinkommen.

Danke nochmal an alle für ihre Beiträge, meine Idee da auf die schnelle 
etwas hinzuschludern werde ich nun begraben und mir die nötige Zeit zum 
lernen nehmen.

Tim  . schrieb:
> SINC-Filter kann man aber auch sehr effizient auf einer MCU
> implementieren. (Addieren, Substrahieren)

Nur, wenn man SINC mit CIC gleichsetzt.

Dergute W. schrieb:
> Gibts da irgendwelche HW-Unterstuetzung?

Das steht noch nicht zu 100% aber ich werde wohl die auf die LEDC (LED 
Control) Funktion des ESP32 setzen um ein PWM mit 50% und bis zu 40 MHz 
zu erzeugen. 
(https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/peripherals/ledc.html#supported-range-of-frequency-and-duty-resolutions)
Ich habe den ESP32-S3 leider noch nicht auf dem Tisch aber das sollte 
den saubersten Takt ergeben. Sobald er hier ist werd ich das mit dem 
Oszi testen. Ich bin noch nicht sicher ob ich mit LEDC auch einen 
internen Interrupt triggern kann, ansonsten würde ich die CLK für den 
AMC3306 auch auf einen anderen PIN legen um so den Interrupt über den 
Pin zu triggern.
Der hat dann 12 Takte Zeit den Pin Status auszulesen und im RAM 
abzulegen

Hier mal eine Beschreibung was ich da überhaupt vor habe:
Die Hauptaufgabe des AMC3306 ist die Strommessung über einen Shunt.
Aktuell erfolgt das ganze über ein Drehspulinstrument mit 250uA und 
einem LC Filter davor (ein Klotz mit 2k Henry und 1uF) um Störungen 
größer 5Hz zu filtern. Da es sich um ein mobiles Gerät handelt bereiten 
mir die Drehspulinstrumente regelmäßig Sorgen, da sie sich durch ihren 
filigranen Aufbau nicht gut für den mobilen Einsatz eignen. Zu dem 
ganzen kommen nun noch Qualitätsprobleme. Statt der bezahlten +/-1% 
Tolleranz bekommen wir Instrumente mit bis zu 15% Abweichung.

Das machbare Ziel:
Drehspulinstrument durch Shunt, ADC und TFT zu ersetzen.

Meine Träumerei:
Den LC Filter durch digitale Filterung ersetzen oder wenigstens die 
Grenzfrequenz anheben zu können um von der teuer angefertigen 2k Henry 
Spule auf eine standartisierte Spule wechseln zu können.
Eine "grobe" Anzeige des Frequenzspektrums um für den Bediener einen 
Mehrwert bei der Störungssuche zu bieten.

Das ganze wird ein Proof of Concept, da mir definitiv die Expertise 
fehlt ein sicheres Endkundengerät zu entwickeln.

Tim  . schrieb:
> Hast Du Dir den Filter-Berechner auf der TI-website zum
> AMC3306 mal angeschaut?

Zu meiner Schande muss ich gestehen das ich von dem gar keine notiz 
genommen habe. Er ist jetzt aber runtergeladen und ich werde ihn mir 
anschauen. Danke für den Hinweis und für die anschauliche Erklärung zu 
den Sinc Filtern! Jetzt habe ich im Ansatz verstanden wohin die Reise 
bei den Sinc Filtern geht.

Tim  . schrieb:
> Alternativ berechnet man sich die Filtercoeffizienten vorher und faltet
> diese einach mal dem Bitstream.
Da hört es bei mir dann leider schon wieder auf.

Der AMC3306 bekommt jetzt erstmal ein Testboard und dann Teste ich mit 
dem "normalen" ESP32 was ich da unter kontrollierten Bedingungen an 
Werten erhalte.

Dergute W. schrieb:
> Hm - ich bin mir ziemlich sicher, dass du mit 40e6 Interrupts pro
> Sekunde nicht gluecklich wirst. Also braeuchtest du irgendeine
> Hardwareunterstuetzung an deinem ESP, damit du nicht jedes Bit vom ADC
> einzeln per Software reinbitten musst. Also irgendsowas wie ein
> I2S/SPI/USART Hardwareinterface, was sich entsprechend zurechtbiegen
> laesst. Vorher musst du dir ueber Filteranforderungen und -realisierung
> ueberhaupt keinen Kopf machen.

Ja da ist viel wahres dran danke für den Denkanstoß!
Das I2S wird bereits vom LCD in Beschlag genommen aber das SPI ist noch 
frei.
Mit bis zu 80MHz ist es auch schnell genug. Ich muss mich nochmal durchs 
Datenblatt und die online Dokumentation graben um es zu verifizieren 
aber das SPI sollte auch DMA beherrschen.

Dergute W. schrieb:
> Hast du den AMC3306 schon in echt bei dir rumfliegen? "Not available"
> bzw. "out of stock" waere jetzt fuer mich kein Ansporn sowas
> einzudesignen...

Ja, ich habe bereits im Juli jeweils zwei mal den AMC3306M25 und den 
AMC3336 geordert als sie noch am Lager waren. Die Isolierten AMC ADCs 
mit integriertem DC/DC Wandler sind noch nicht lange auf dem Markt und 
daher hoffe ich das sie noch eine Weile zu haben sind.

Dergute W. schrieb:
> Also braeuchtest du irgendeine
> Hardwareunterstuetzung an deinem ESP, damit du nicht jedes Bit vom ADC
> einzeln per Software reinbitten musst.

Richtig, aber sein ESP hat ja echt viele IOs. Da reicht es vielleicht 
schon den seriellen Datenstrom nach parallel zu wandeln. Dafür gibt es 
seriell zu parallel Schieberegister die die man gleich auch mit dem 20 
MHz Takt füttern kann. Wenn man dann ein z. B. 16 Bit Schieberegister 
nimnmt muss man den Takt auch noch durch 16 Teilen (das geht mit ein 
paar FFs) und mit diesem niedrigeren Takt wird dann das Ausgangsregister 
der Schieberegister gelatcht und gleichzeitig im ESP die Daten 
gelesen/Interrupt ausgelöst/...

-gb- schrieb:
> Richtig, aber sein ESP hat ja echt viele IOs. Da reicht es vielleicht
> schon den seriellen Datenstrom nach parallel zu wandeln. Dafür gibt es
> seriell zu parallel Schieberegister die die man gleich auch mit dem 20
> MHz Takt füttern kann. Wenn man dann ein z. B. 16 Bit Schieberegister
> nimnmt muss man den Takt auch noch durch 16 Teilen (das geht mit ein
> paar FFs) und mit diesem niedrigeren Takt wird dann das Ausgangsregister
> der Schieberegister gelatcht und gleichzeitig im ESP die Daten
> gelesen/Interrupt ausgelöst/...

Die Idee mit dem Schieberegister ist gut, das würde den Core mehr Zeit 
geben.

Dergute W. schrieb:
> I2S != I2C
Jürgen S. schrieb:
> Meinst du I2S oder I2C?

Ich meine I2S, wobei sich da wohl etwas getan hat vom ESP32 zum 
ESP32-S3.
Beim ESP32 war das LCD Interface noch mit dem I2S verknüpft nun scheinen 
der S2 und der S3 aber ein eigenständiges Interface zu besitzen. Das 
muss ich noch weiter ergründen. Damit ist I2S aber wieder im rennen.

Dergute W. schrieb:
> Schick waer's wenn der Takt dann auch permanent rauskaeme.

Im angehängten Bild sind die mit LEDC erzeugten Takte zusehen, das 
Ergebnis bei 20MHz ist etwas entäuschend aber das sollte sich mit nem 
flotten Schmitt-Trigger richten lassen. Bei SPI und I2S ist mir noch 
kein Weg bekannt einen permanenten Takt zu generieren aber ich bleibe 
dran.

Dergute W. schrieb:
> Je seltener die "ich hab' Daten, mach Downsampling"-IRQs auftreten und
> je groesser dann die zu verarbeitende Menge an Daten ist, desto
> guenstiger fuer Software.

Das ist gerade für die Batterie/Akkulaufzeit ein wichtiges Argument. Je 
länger ich den Kern schlafen schicken kann desto besser. Ich werde da 
dran bleiben.

Jürgen S. schrieb:
> I2S ließe sich in der Tat gut zweckentfremden, wenn man die Takte mit
> dem Controller hinbekommt.

Warum eignet sich i2s gut?
hinbekommen bzgl. der Geschwindigkeit der Takte oder diesen permanent zu 
erzeugen?

Dergute W. schrieb:
> Deinen Optimismus moecht' ich auch mal haben :-)

Tja das Ergebnis einer Ansammlung von Unkenntnis. Erstmal träumen und 
dann mit Fakten drauf knüppeln und gucken was übrig bleibt.
Erstmal möchte ich mich hier aber mal für eure geduldigen und 
ausführlichen Antworten bedanken. Ist noch viel zu tun aber ich bin und 
bleib optimistisch gestimmt.

Die Boards ESP32-S3-DevKitC-1-N8R2 und ESP32-S3-DevKitC-1-N8R8 liegen 
jetzt hier auf dem Tisch und ein frischer Liter Eisen3 ist auch 
angekommen.
Als erstes bekommt der AMC jetzt ein Testboard.

Dergute W. schrieb:
> Beides. Bei I2S haste auch ein Schieberegister mit 32..64 bit Tiefe; und
> der Takt laeuft im Gegensatz zu I2C und SPI durch

Und wieder etwas gelernt sobald das Board läuft schaue ich mir an wie 
ich die Daten per I2S in den RAM bekomme.

Im TRM des ESP32-S3 bin ich noch auf etwas gestoßen.
Der S3 besitzt einen Pulse Count Controller mit vier Einheiten, jeweils 
zwei Kanäle wovon jeder einen Pulse und einen Control Eingang besitzt.
(https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-s3_technical_reference_manual_en.pdf#section.24)

Die primitivste art den Sigma-Delta ADC auszulesen ist ja das zählen der 
"1er". Das kann der Pulse Count ohne Probleme und ein Sinc1 Filter ließe 
sich so auch problemlos umsetzen. Bei 64fachem Oversampling und 16bit je 
Sample ergibt das 1024bit. Wenn ich die Anzahl der "1er" dann durch 64 
teile ergibt das den Mittelwert der 64 Sample. Nach 1024 Takten triggert 
der Counter dann einen Interrupt und der Wert aus dem Register wird in 
den RAM geschoben.

Leider fehlen in der TRM noch das LCD und das Camera Interface.
Das Camera Interface könnte in Verbindung mit dem Schieberegister eine 
Möglichkeit bieten 16 Pins per DMA in den RAM zu bekommen. 
Vorrausgesetzt LCD und Camera Interface lassen sich parallel nutzen.

Marc schrieb:
> Kleine Sachen werden auf die schnelle in
> SprintLayout zusammen geknüppelt

Ah ... das klingt wirklich nach einer sehr koordinierten und stabilen 
Entwicklung. Arbeitst du zufällig bei einem Zulieferer?

Dergute W. schrieb:
> Das hoert sich vielversprechend an.

Habe bei Mouser jetzt noch das offizielle Devboard AMC3306EVM geordert 
damit ich meinen Selbstbau gegen das "Original" antreten lassen kann. So 
sollte ich das Risiko vermindern können mir auf diesem Wege zusätzliche 
Fehler an Land zu ziehen.

Dergute W. schrieb:
> Yep, seh' ich auch so. Wahrscheinlich wird man's auch hinkriegen, dann
> per Software die beiden anderen Integratoren nachzubilden, obwohl man ja
> dann im Gegensatz zur reinen CIC-Lehre schon nach dem ersten Integrator
> die Samplerate dezimiert hat. Bin mir so ad. hoc. nicht sicher, koennte
> aber schon klappen.

Na das freut mich ja schon mal das ich da nicht ganz auf dem Holzweg 
bin.
Ich bin gerade drauf und dran mich von der "Echtzeit" Verarbeitung der 
Daten zu verabschieden. Die ESP32-S3 Module gibt es mit 8/16MB PSRAM 
angebunden per Octal SPI, die 8MB Variante habe ich hier auf dem 
DevBoard.
Ich denke es wäre sinnvoller die Samples erstmal im PSRAM abzulegen und 
nach der Messung zu verarbeiten.

M. W. schrieb:
> Ah ... das klingt wirklich nach einer sehr koordinierten und stabilen
> Entwicklung. Arbeitst du zufällig bei einem Zulieferer?

Die Aussage gilt für meine privaten Projekte. Arbeiten tue ich als 
ausgebildeter Industriemechnaniker in der Firma und helfe ab und an im 
Bereich der Elektrotechnik aus. Die Elektrotechnik ist seit 12 Jahren 
ein Hobby das ich immer weiter ausbaue und mich an Dingen versuche die 
mich interessieren.

Dergute W. schrieb:
> Marc schrieb:
>> Die primitivste art den Sigma-Delta ADC auszulesen ist ja das zählen der
>> "1er". Das kann der Pulse Count ohne Probleme und ein Sinc1 Filter ließe
>> sich so auch problemlos umsetzen.
>
> Yep, seh' ich auch so.
Die Nullen müssen aber schon auch mitgezählt werden und dass dieses 
"Sinc1"-Filter übelste Oberwellen hat, ist sicher auch bekannt.

> Wahrscheinlich wird man's auch hinkriegen, dann
> per Software die beiden anderen Integratoren nachzubilden, obwohl man ja
> dann im Gegensatz zur reinen CIC-Lehre schon nach dem ersten Integrator
> die Samplerate dezimiert hat.
Wenn er die einmal dezimierte Datenmenge mit einem kleinen FIR 
bearbeitet, kommt er sicher weiter, als mit dem armseeligen CIC3. Gerade 
in einem Microcontroller sind Koeffizientenmultiplikationen doch kein 
Problem.

Wenn es an der Performance fehlt, eben ein biquad-IIR.

Dergute W. schrieb:
> Ist wie beim
> Baeren - die Reihenfolge ist wichtig: Immer 1.) erlegen und dann 2.)
> Fell verteilen. Nicht umgekehrt.

Hihi. Der Vergleich war nett.

Aber mal im Ernst: Es gibt tausende von Beiträge zu Hogenauers CIC im 
Internet, aber wenn man die ersten drei Dutzend gelesen hat, dann merkt 
man, daß die alle nur voneinander abgeschrieben haben und auch das 
berüchtigte Bild (siehe Anhang) voneinander abgekupfert haben - ohne daß 
auch nur einer den eigentlichen Dezimier-Algorithmus wirklich verstanden 
hat. Ist immer nur die gleiche Gebetsmühle. Auch ich kann dazu nur mir 
meine eigenen Gedanken machen, ohne wirklich zu wissen, ob Hogenauer 
sich das eben genau SO gedacht hat.

W.S.