“大家肯定都知道奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率必須至少是信號最高頻率的兩倍，否則會導致混疊現象（aliasing），即高頻信號被錯誤地解釋為低頻信號，從而無法準確重建原始信號。但在某些應用場景中，我們可以通過采樣來減緩信號的頻率。”

混頻器與采樣 混頻器是將信號轉換為較低頻率的經典方法，以便更容易地進行處理或測量。但混頻器只適用于窄帶信號，即非常接近正弦波的信號。這是因為混頻過程通常是基于信號的頻率成分來進行操作的，而窄帶信號的頻率成分相對集中，更容易通過混頻實現頻率轉換，對于那些頻譜分布較寬或者波形復雜的信號，混頻可能就無法達到預期的效果。 而采樣可以減慢任何重復信號的速度，包括方波和窄脈沖。即以略低于信號重復頻率的頻率來測量電壓，并且在下一次測量之前保持這個電壓值。由于每次采樣都是在波形的稍后一點時間進行的，所以這些采樣點連起來就呈現出一種相對于原始信號“拖后”的效果，從而使得整個信號看起來像是被放慢了速度。重復頻率（即采樣后信號的頻率）等于原始信號頻率和采樣頻率之差，并且為了準確地復制波形，這個重復頻率應該比采樣頻率低很多倍。

藍色：原始波形。紅色：采樣。綠色：重建波形。

二極管采樣電路

最古老的采樣電路使用二極管作為開關。肖特基二極管可以作為非常快速的開關，其中大多數能夠在 GHz 范圍內工作。

大多數情況下，二極管處于反向偏置狀態，阻斷信號。當采樣脈沖到來時，它會短暫地使二極管正向偏置，將電容充電至輸入信號電壓加上/減去閾值電壓。這兩個電壓通過電阻分壓器相加，得到最終電壓。

對稱配置有助于解決 kick-out 問題。Kick - out 是指采樣信號從采樣器的輸出端泄露回輸入端的情況。這種對稱配置的采樣電路只有在使用對稱的采樣脈沖時才有效。為了進一步改善kick - out現象，在采樣脈沖輸入端使用一個共模扼流圈可以起到顯著的效果。

更復雜的采樣電路

這是一個更復雜的采樣器，它給電容充電到采樣電壓，將采樣脈沖與輸出以及輸入都隔離開了。可以使用MOSFET晶體管，MOSFET有一個優點，那就是不需要短暫的采樣脈沖：

當 SAMPLE 信號從高電平變為低電平及 HOLD 信號從低電平變為高電平時，進行采樣

這種配置的存在的一個問題是，那就是輸出信號的幅度變化范圍只能達到輸入信號幅度變化范圍的50%。例如，如果輸入信號的電壓在0V到10V之間變化，那么在這種電路配置下，輸出信號的電壓變化范圍可能只能在0V到5V之間。但這對測量周期性信號來說不是問題。

小型、低柵極電容的 MOSFET 很難找到，但模擬開關 IC 很容易找到，大多數有內置反相器。模擬開關IC可以使用互補型的PMOS和NMOS晶體管對，相互配合，共同完成開關等功能。從而最大限度地減少采樣器 kick-out 現象

除了減慢信號速度外，采樣器常用于模數轉換器（ADC）中，以避免在轉換過程中電壓發生變化。而且，對于這種情況，將樣本與上一個樣本進行平均是一個問題。解決方法是增加一個晶體管，對輸出電容（以及中間電容）放電，以避免 kick-out 現象。這種解決方案即使在只有一個采樣階段的情況下也是很有幫助的。因為有時候輸入信號可能比較弱，一個短脈沖可能不足以使電容完全充電。而通過增加晶體管來放電電容，可以確保電容能夠正確地充電和放電，從而提高模數轉換的準確性。

原文轉載自：

https://maurycyz.com/misc/magic-sampling/

審核編輯 黃宇