如何选择数据采集系统中滤波器?

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为数据采集系统选择合适的低通(抗混叠)滤波器并不像看起来那么简单。一般情况下,根据转换器的采样频率选择低通滤波器的转角频率比较简单,只要把滤波器的转角频率设为Nyquist采样频率的1/2即可。但是,开发一款能瞬间从+1V/V 增益转换到零的模拟“砖墙式”滤波器是不切实际的。因此,从频率的角度设计滤波器电路,必须考虑诸如滤波器带宽设计和阶数(极点的数量)之类的问题。本文将介绍能帮助确定低通滤波器的阶数、逼近类型和一些电路拓扑的技术。

ADC前必须使用滤波器

数据采集系统中,低通滤波器直接用于ADC之前,以降低高频噪声。关于数据采集系统中使用低通滤波器的合理性有两种错误的观点。第一种误解是:转换直流或低频信号时不需要低通滤波器。因为这些低频信号根本没有噪声,因此,设计人员认为不需要低通滤波器。假设有一个在低频状态下运行的系统,但有源/无源模拟器件会将高频噪声引入信号路径。电阻是一种常见的会产生噪声的无源器件。无论有没有电压或电流激励,每个电阻自身都会产生热电压噪声。在频率达到电阻的寄生电容(~0.5pF)开始衰减噪声的频率之前,这种噪声的幅值为常数。

运算放大器是有源器件,会在内部产生噪声。放大器的噪声主要是由前端差分输入对造成的。频率越低,噪声越高。此外,其它有源器件也会产生噪声,如电源内的开关动作。最后,噪声可以从外部信号辐射进入信号路径。

另外一个误解是:ADC的输入级会过滤掉高于采样频率的信号,或者采样频率会限制所转换的信号频率范围。这两点都是错误的,因为ADC是采样系统,所以无论信号的频率如何,它只是给信号拍一个“快照”。转换器根据所采集的各时间点的快照,在1/2采样频率的范围内给出信号的数字表示。这就是所谓的混叠。

综上所述,在设计含有ADC的系统时,必须在转换器前使用一个低通滤波器。如果ADC采样时信号路径中有不需要的信号,这些信号也会被转换并混叠在数字输出信号中。这样,就不可能在数字代码中区分好的信号和不好的信号。

如果想从信号中去除不需要的高频噪声,“砖墙式”滤波器似乎是理想的解决方案,但如前所述,设计一款“砖墙式”低通滤波器是不可行的。“砖墙式”滤波器极其不稳定,而且实现起来耗资不菲。下面会讨论一些标准滤波器技术,这里应注意,二阶低通有源滤波器需要1个运算放大器、2个电容和至少2个电阻。图1是二阶滤波器的频率响应与归一化滤波器频率的关系曲线。图1中滤波器的最高阶数是32阶。这尚未达到“砖墙式”滤波器的要求,但已经很难实现稳定的解决方案,而且需要16个运算放大器、32个电容和至少32个电阻。

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滤波器的阶数应取决于应用的条件。必须考虑三个参数:信号的最大频率、噪声的预期幅值和转换器的最低有效位(LSB)大小。最后,ADC的采样频率必须达到系统的要求。

模拟滤波器是数据采集系统的关键组成部分。如果没有模拟滤波器,频率超出ADC采样带宽一半的信号会混叠进信号路径。一旦信号在数字化的过程中被混叠,就不可能区分带内和带外噪声频率。

 

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为数据采集系统选择合适的低通(抗混叠)滤波器并不像看起来那么简单。一般情况下,根据转换器的采样频率选择低通滤波器的转角频率比较简单,只要把滤波器的转角频率设为Nyquist采样频率的1/2即可。但是,开发一款能瞬间从+1V/V 增益转换到零的模拟“砖墙式”滤波器是不切实际的。