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抗混疊低通濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)（以及它們需要與 ADC 匹配的原因）

2512910 2022-11-25 | pdf | 365.59KB | 次下載 | 2積分

資料介紹

基本采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——無論是用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居還是工業(yè)控制——如果沒有受到保護(hù)，就會(huì)因混疊而出現(xiàn)不準(zhǔn)確，其中由于模擬輸入采樣不足而產(chǎn)生寄生信號(hào)。混疊將頻率高于奈奎斯特頻率（采樣頻率的一半）的信號(hào)分量折疊回基帶頻譜，在基帶頻譜中它們無法與所需信號(hào)分離，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。此外，高于奈奎斯特頻率的噪聲也會(huì)混頻到基帶中，從而降低所需基帶信號(hào)的信噪比 (SNR)。基本采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——無論是用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居還是工業(yè)控制——如果沒有受到保護(hù)，就會(huì)因混疊而出現(xiàn)不準(zhǔn)確，其中由于模擬輸入采樣不足而產(chǎn)生寄生信號(hào)。混疊將頻率高于奈奎斯特頻率（采樣頻率的一半）的信號(hào)分量折疊回基帶頻譜，在基帶頻譜中它們無法與所需信號(hào)分離，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。此外，高于奈奎斯特頻率的噪聲也會(huì)混頻到基帶中，從而降低所需基帶信號(hào)的信噪比 (SNR)。防止混疊的解決方案是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻帶限制——將所有輸入信號(hào)分量限制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣頻率的二分之一以下。頻帶限制是通過使用稱為抗混疊濾波器的模擬低通濾波器來實(shí)現(xiàn)的。這些濾波器必須在不增加信號(hào)失真、噪聲或振幅隨頻率變化的情況下限制帶寬。抗混疊低通濾波器設(shè)計(jì)必須提供快速滾降和足夠的阻帶衰減，以降低急劇高于奈奎斯特頻率的信號(hào)幅度。防止混疊的解決方案是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻帶限制——將所有輸入信號(hào)分量限制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣頻率的二分之一以下。頻帶限制是通過使用稱為抗混疊濾波器的模擬低通濾波器來實(shí)現(xiàn)的。這些濾波器必須在不增加信號(hào)失真、噪聲或振幅隨頻率變化的情況下限制帶寬。抗混疊低通濾波器設(shè)計(jì)必須提供快速滾降和足夠的阻帶衰減，以降低急劇高于奈奎斯特頻率的信號(hào)幅度。本文討論了抗混疊低通濾波器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及為什么以及如何將它們與 ADC 的規(guī)格仔細(xì)匹配。然后，它將展示如何使用 Analog Devices 的示例設(shè)備通過有源或開關(guān)電容濾波器元件來實(shí)現(xiàn)它們。本文討論了抗混疊低通濾波器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及為什么以及如何將它們與 ADC 的規(guī)格仔細(xì)匹配。然后，它將展示如何使用 Analog Devices 的示例設(shè)備通過有源或開關(guān)電容濾波器元件來實(shí)現(xiàn)它們。什么是別名？什么是別名？當(dāng)系統(tǒng)以不足的采樣率采集數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)混疊。如果信號(hào)包含大于奈奎斯特頻率的任何頻率，它們將與轉(zhuǎn)換器采樣器中的采樣頻率混合并映射到小于奈奎斯特頻率的頻率，導(dǎo)致不同信號(hào)變得混合并且彼此無法區(qū)分（即，一個(gè)混疊另一個(gè)）在采樣期間（圖1）。當(dāng)系統(tǒng)以不足的采樣率采集數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)混疊。如果信號(hào)包含大于奈奎斯特頻率的任何頻率，它們將與轉(zhuǎn)換器采樣器中的采樣頻率混合并映射到小于奈奎斯特頻率的頻率，導(dǎo)致不同信號(hào)變得混合并且彼此無法區(qū)分（即，一個(gè)混疊另一個(gè)）在采樣期間（圖1）。圖 1：混疊示例。以每秒 2 兆采樣率采樣的 80 千赫 (kHz) 正弦波（左上）顯示沒有混疊。將采樣率降低到每秒 100 千次采樣（左下方）導(dǎo)致信號(hào)被解釋為具有 20 kHz 的頻率。正確采樣和混疊信號(hào)在縮放視圖中重疊（右）。該軌跡上的點(diǎn)顯示樣本位置。請(qǐng)注意，混疊信號(hào)使用正確采樣數(shù)據(jù)的子集。（圖片來源：Digi-Key Electronics）圖 1：混疊示例。以每秒 2 兆采樣率采樣的 80 千赫 (kHz) 正弦波（左上）顯示沒有混疊。將采樣率降低到每秒 100 千次采樣（左下方）導(dǎo)致信號(hào)被解釋為具有 20 kHz 的頻率。正確采樣和混疊信號(hào)在縮放視圖中重疊（右）。該軌跡上的點(diǎn)顯示樣本位置。請(qǐng)注意，混疊信號(hào)使用正確采樣數(shù)據(jù)的子集。（圖片來源：Digi-Key Electronics）左上方網(wǎng)格中顯示的信號(hào)是一個(gè) 80 kHz 正弦波，以每秒 2 兆樣本 (MS/s) 的速度采樣。在 2 MS/s 時(shí)，奈奎斯特頻率為 1 兆赫茲 (MHz)；信號(hào)遠(yuǎn)低于此。左下方的網(wǎng)格顯示了當(dāng)采樣率降低到每秒 100 千樣本 (kS/s) 時(shí)發(fā)生的情況。Nyquist 頻率現(xiàn)在是 50 kHz，80 kHz 正弦波的頻率現(xiàn)在高于 Nyquist 頻率并且混疊。左上方網(wǎng)格中顯示的信號(hào)是一個(gè) 80 kHz 正弦波，以每秒 2 兆樣本 (MS/s) 的速度采樣。在 2 MS/s 時(shí)，奈奎斯特頻率為 1 兆赫茲 (MHz)；信號(hào)遠(yuǎn)低于此。左下方的網(wǎng)格顯示了當(dāng)采樣率降低到每秒 100 千樣本 (kS/s) 時(shí)發(fā)生的情況。