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抗混疊低通濾波器的基礎知識（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

基本采樣數據采集系統——無論是用于物聯網、智能家居還是工業控制——如果沒有受到保護，就會因混疊而出現不準確，其中由于模擬輸入采樣不足而產生寄生信號。混疊將頻率高于奈奎斯特頻率（采樣頻率的一半）的信號分量折疊回基帶頻譜，在基帶頻譜中它們無法與所需信號分離，從而導致錯誤。此外，高于奈奎斯特頻率的噪聲也會混頻到基帶中，從而降低所需基帶信號的信噪比 (SNR)。基本采樣數據采集系統——無論是用于物聯網、智能家居還是工業控制——如果沒有受到保護，就會因混疊而出現不準確，其中由于模擬輸入采樣不足而產生寄生信號。混疊將頻率高于奈奎斯特頻率（采樣頻率的一半）的信號分量折疊回基帶頻譜，在基帶頻譜中它們無法與所需信號分離，從而導致錯誤。此外，高于奈奎斯特頻率的噪聲也會混頻到基帶中，從而降低所需基帶信號的信噪比 (SNR)。防止混疊的解決方案是對輸入信號進行頻帶限制——將所有輸入信號分量限制在模數轉換器 (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現的。這些濾波器必須在不增加信號失真、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計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幅度。防止混疊的解決方案是對輸入信號進行頻帶限制——將所有輸入信號分量限制在模數轉換器 (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現的。這些濾波器必須在不增加信號失真、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計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幅度。本文討論了抗混疊低通濾波器的設計標準，以及為什么以及如何將它們與 ADC 的規格仔細匹配。然后，它將展示如何使用 Analog Devices 的示例設備通過有源或開關電容濾波器元件來實現它們。本文討論了抗混疊低通濾波器的設計標準，以及為什么以及如何將它們與 ADC 的規格仔細匹配。然后，它將展示如何使用 Analog Devices 的示例設備通過有源或開關電容濾波器元件來實現它們。什么是別名？什么是別名？當系統以不足的采樣率采集數據時，就會出現混疊。如果信號包含大于奈奎斯特頻率的任何頻率，它們將與轉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，導致不同信號變得混合并且彼此無法區分（即，一個混疊另一個）在采樣期間（圖1）。當系統以不足的采樣率采集數據時，就會出現混疊。如果信號包含大于奈奎斯特頻率的任何頻率，它們將與轉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，導致不同信號變得混合并且彼此無法區分（即，一個混疊另一個）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）導致信號被解釋為具有 20 kHz 的頻率。正確采樣和混疊信號在縮放視圖中重疊（右）。該軌跡上的點顯示樣本位置。請注意，混疊信號使用正確采樣數據的子集。（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）導致信號被解釋為具有 20 kHz 的頻率。正確采樣和混疊信號在縮放視圖中重疊（右）。該軌跡上的點顯示樣本位置。請注意，混疊信號使用正確采樣數據的子集。（圖片來源：Digi-Key Electronics）左上方網格中顯示的信號是一個 80 kHz 正弦波，以每秒 2 兆樣本 (MS/s) 的速度采樣。在 2 MS/s 時，奈奎斯特頻率為 1 兆赫茲 (MHz)；信號遠低于此。左下方的網格顯示了當采樣率降低到每秒 100 千樣本 (kS/s) 時發生的情況。Nyquist 頻率現在是 50 kHz，80 kHz 正弦波的頻率現在高于 Nyquist 頻率并且混疊。左上方網格中顯示的信號是一個 80 kHz 正弦波，以每秒 2 兆樣本 (MS/s) 的速度采樣。在 2 MS/s 時，奈奎斯特頻率為 1 兆赫茲 (MHz)；信號遠低于此。左下方的網格顯示了當采樣率降低到每秒 100 千樣本 (kS/s) 時發生的情況。