如何選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中濾波器

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為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇合適的低通(抗混疊)濾波器并不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。一般情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率選擇低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率比較簡(jiǎn)單，只要把濾波器的轉(zhuǎn)角頻率設(shè)為Nyquist采樣頻率的1/2即可。但是，開(kāi)發(fā)一款能瞬間從+1V/V 增益轉(zhuǎn)換到零的模擬“磚墻式”濾波器是不切實(shí)際的。因此，從頻率的角度設(shè)計(jì)濾波器電路，必須考慮諸如濾波器帶寬設(shè)計(jì)和階數(shù)(極點(diǎn)的數(shù)量)之類(lèi)的問(wèn)題。本文將介紹能幫助確定低通濾波器的階數(shù)、逼近類(lèi)型和一些電路拓?fù)涞募夹g(shù)。

ADC前必須使用濾波器

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，低通濾波器直接用于ADC之前，以降低高頻噪聲。關(guān)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用低通濾波器的合理性有兩種錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。第一種誤解是：轉(zhuǎn)換直流或低頻信號(hào)時(shí)不需要低通濾波器。因?yàn)檫@些低頻信號(hào)根本沒(méi)有噪聲，因此，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為不需要低通濾波器。假設(shè)有一個(gè)在低頻狀態(tài)下運(yùn)行的系統(tǒng)，但有源/無(wú)源模擬器件會(huì)將高頻噪聲引入信號(hào)路徑。電阻是一種常見(jiàn)的會(huì)產(chǎn)生噪聲的無(wú)源器件。無(wú)論有沒(méi)有電壓或電流激勵(lì)，每個(gè)電阻自身都會(huì)產(chǎn)生熱電壓噪聲。在頻率達(dá)到電阻的寄生電容(~0.5pF)開(kāi)始衰減噪聲的頻率之前，這種噪聲的幅值為常數(shù)。

運(yùn)算放大器是有源器件，會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生噪聲。放大器的噪聲主要是由前端差分輸入對(duì)造成的。頻率越低，噪聲越高。此外，其它有源器件也會(huì)產(chǎn)生噪聲，如電源內(nèi)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。最后，噪聲可以從外部信號(hào)輻射進(jìn)入信號(hào)路徑。

另外一個(gè)誤解是：ADC的輸入級(jí)會(huì)過(guò)濾掉高于采樣頻率的信號(hào)，或者采樣頻率會(huì)限制所轉(zhuǎn)換的信號(hào)頻率范圍。這兩點(diǎn)都是錯(cuò)誤的，因?yàn)锳DC是采樣系統(tǒng)，所以無(wú)論信號(hào)的頻率如何，它只是給信號(hào)拍一個(gè)“快照”。轉(zhuǎn)換器根據(jù)所采集的各時(shí)間點(diǎn)的快照，在1/2采樣頻率的范圍內(nèi)給出信號(hào)的數(shù)字表示。這就是所謂的混疊。

綜上所述，在設(shè)計(jì)含有ADC的系統(tǒng)時(shí)，必須在轉(zhuǎn)換器前使用一個(gè)低通濾波器。如果ADC采樣時(shí)信號(hào)路徑中有不需要的信號(hào)，這些信號(hào)也會(huì)被轉(zhuǎn)換并混疊在數(shù)字輸出信號(hào)中。這樣，就不可能在數(shù)字代碼中區(qū)分好的信號(hào)和不好的信號(hào)。

如果想從信號(hào)中去除不需要的高頻噪聲，“磚墻式”濾波器似乎是理想的解決方案，但如前所述，設(shè)計(jì)一款“磚墻式”低通濾波器是不可行的?！按u墻式”濾波器極其不穩(wěn)定，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)耗資不菲。下面會(huì)討論一些標(biāo)準(zhǔn)濾波器技術(shù)，這里應(yīng)注意，二階低通有源濾波器需要1個(gè)運(yùn)算放大器、2個(gè)電容和至少2個(gè)電阻。

濾波器的階數(shù)應(yīng)取決于應(yīng)用的條件。必須考慮三個(gè)參數(shù)：信號(hào)的最大頻率、噪聲的預(yù)期幅值和轉(zhuǎn)換器的最低有效位(LSB)大小。最后，ADC的采樣頻率必須達(dá)到系統(tǒng)的要求。

模擬濾波器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。如果沒(méi)有模擬濾波器，頻率超出ADC采樣帶寬一半的信號(hào)會(huì)混疊進(jìn)信號(hào)路徑。一旦信號(hào)在數(shù)字化的過(guò)程中被混疊，就不可能區(qū)分帶內(nèi)和帶外噪聲頻率。

審核編輯 黃昊宇