通过有源或开关电容滤波器元件实现抗混叠低通滤波器的设计

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无论基本采样 数据采集 系统无论是用于 物联网 、智能家居还是工业控制,如果不采取保护措施,都将因混叠而导致不准确问题,因为当模拟输入采样不

无论基本采样数据采集系统无论是用于物联网、智能家居还是工业控制,如果不采取保护措施,都将因混叠而导致不准确问题,因为当模拟输入采样不足而产生杂散信号时,就会发生混叠。混叠将频率高于奈奎斯特频率(采样频率的一半)的信号分量叠回基带频谱,使它们无法与所需信号分离,从而导致误差。另外,高于奈奎斯特频率的噪声也会向下混合至基带,从而降低所需基带信号的信噪比 (SNR)。

若要防止混叠,解决方案是对输入信号进行带宽限制,即将所有输入信号分量限制在模数转换器ADC) 采样频率的一半以下。模拟低通滤波器也称为抗混叠滤波器,可用来实现带宽限制。在对带宽进行限制时,滤波器不能增加信号失真、噪声或幅度的频率差异。抗混叠低通滤波器设计必须为快速滚降提供足够的阻带衰减,以降低大幅高于奈奎斯特频率的信号幅度。

本文讨论了抗混叠低通滤波器的设计准则,以及应将它们与 ADC 的规格仔细匹配的原因和方法。然后,文章将展示如何使用 Analog Devices 的示例器件,通过有源或开关电容滤波器元件来实现这些滤波器。

何为混叠?

当系统进行数据采集时,采样率不足就会发生混叠。如果信号包含任何高于奈奎斯特频率的频率,就会与转换器采样器中的采样频率混合,并映射到低于奈奎斯特频率的频率,从而导致不同的信号在采样过程中发生混合且彼此无法区分(即,互相混叠)(图 1)。

图 1:混叠示例。以 2 兆样本 / 秒采样(左上方)的 80 千赫 (kHz) 正弦波没有混叠现象。而将采样率降至 100 千样本 / 秒(左下方)时,信号被解释成具有 20 kHz 的频率。在放大视图(右侧)中,正确采样的信号和混叠信号发生了重叠。该迹线上的点显示了样本位置。 请注意,混叠信号使用了正确采样数据的子集。(图片来源:Digi-Key Electronics)

左上方网格中显示的信号是 80 kHz 正弦波,采样率为 2 兆样本 / 秒 (MS/s)。在 2 MS/s 时,奈奎斯特频率为 1 兆赫 (MHz);该信号远低于此频率。左下方网格显示了采样率降至 100 千样本 / 秒 (kS/s) 时发生的情况。此时,奈奎斯特频率为 50 kHz,而 80 kHz 正弦波频率高于奈奎斯特频率,因而发生混叠。

在图像右侧,正确采样和混叠的信号被水平扩展和重叠,其中点表示实际样本。请注意,混叠信号包含以 2 MS/s 采样的信号样本子集。采样是一种混合操作,且该操作的输出由输入信号的和与差以及采样频率组成。

在 100 kS/s 的采样率和 80 kHz 的信号频率下,差频为 20 kHz。两种情况的频率

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