利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

时间:2023-03-31作者:佚名

带外杂散信号所引起的混叠现象是A/D转换器应用中所面临的关键问题,如果没有适当的滤波处理,这些信号会严重影响数据转换系统的性能指标。本文主要讨论抗混叠滤波的原理及其对系统性能的影响。本文针对这一应用,提供了一个开关电容滤波器设计范例,该方案具有极高的性价比。本文几乎涵盖了所有与高性能系统设计有关的重要参数和实际问题。产生混叠的来源:这一点在奈奎斯特定理中给出了说明。奈奎斯特定理指出:时间连续信号转换成离散信号时,需要在一个周期内的采样次数多于2次。如果采样次数不够,将无法恢复丢失的信息。从图1可以更清晰地看到这一点,如果信号每周期采样一次,得到的只是一个直流信号(幅度为任意值),如图1a所示。如果每周期采样两次,得到一个方波信号(图1b)。值得注意的是:对输入信号进行每周期2次的采样是一种非常特殊的情况,任何时候都要避免这种情况。图1c所示是以200kHz采样率对190kHz信号进行采样的情况。所得信号是一个完好的正弦波,但频率是错误的。频率的改变正是由于混叠现象导致的。

利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

图1a。对正弦信号进行每周期一次的采样时,得到一个幅度为任意值的直流信号。

利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

图1b. 对同一正弦波每周期采样两次,得到一个方波,幅度信息丢失。

利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

图1c. Fsignal = 190kHz、Fs = 200kHz是欠采样信号,所得结果是混叠现象导致的。

图2所示是在频域的表现形式,从图中可以看出,频率高于f >fs/2的信号被镜像到fs/2。为了避免这种现象,必须保证信号中没有更高的频率成分。因此,我们必须了解信号的最高频率,采样频率需要高于这个频率的两倍。一种最原始的考虑是从数字域解决这个问题,但这显然是不可取的,因为一旦完成信号采样,有些信号混叠到所感兴趣的频段,则无法从信号中移除这些频率成分。抗混叠滤波必须在模拟域进行,即在信号采样之前。

利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

图2. 频域中的混叠现象,欠采样信号镜像到fs/2。

下一步,设计抗混叠滤波器。设计抗混叠滤波器需要首先确定所希望的滤波特性(截止频率、过渡带衰减等),然后选择能够满足应用需求的最佳滤波方案(有时称为滤波器类型)。一般情况下,采用过采样、而且过采样频率越高,滤波器设计越容易。但是,过采样需要更高速率的ADC,成本也越高。例如,过采样因子为8时,采样频率是最高信号频率的八倍。这在ADC成本和滤波器复杂度方面达到了一个较好的折衷。假设ADC分辨率为14位,能够提供80dB的信噪比(SNR)。采用一半的采样率(这里为信号频率的4倍)时,低通滤波器需要提供80dB的衰减,以确保所有杂散信号经过足够的衰减,不会出现在采样后的信号中。这意味着在过渡带内需要提供每倍频程40dB的衰减,需要高阶滤波器达到这一设计要求。7阶巴特沃斯滤波器能够满足上述要求,但对于具体应用并非最佳选择。可针对不同的应用选择不同的滤波器类型,图3所示为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器的频响特性。从图中可以看出,它们具有不同的通带、过渡带特性。椭圆滤波器与巴特沃斯滤波器相比,椭圆滤波器的过渡带更陡峭,但其相频特性较差。应根据具体应用选择滤波器类型,对于普通的数据采集系统,可以选用巴特沃斯滤波器(或贝塞尔滤波器),如果对相位精度要求不高的话,也可以选择切比雪夫、甚至椭圆滤波器。

利用开关电容滤波器实现抗混叠滤波

图3. 不同滤波器频率响应的比较。

通用的A/D转换器有:用于中等速率的SAR (逐次逼近) ADC;用于高速到超高速率的闪速ADC;用于低速系统的Σ-ΔADC。它们都需要抗混叠滤波器,对滤波器的要求取决于转换速率、所希望的输入带宽,但Σ-ΔADC比较特殊。这种转换技术采用非常高的输入采样率和转换速率,而后续数字滤波降低了有效吞吐率,这会影响分辨率(动态范围)的提高。Σ-ΔADC对抗混叠滤波器的要求与输入采样率和最高信号频率之比有关,这种对需求的降低同样也表现在其它过采样数据转换器中,这种情况下可以选用简单的RC滤波器。选用较简单的抗混叠滤波器会产生较长的传输延时,这为使用闭环控制或多路转换的转换器增加了设计难度。

相关阅读

配电室停送电操作指南

配电室是电力系统中的重要组成部分,负责将高压电源转换为低压电源,并分配到各个区域和建筑物。为了确保电力设施的安全和稳定运行,正确进行配电室的停送电操作至关重要。下面将...
2024-08-27
配电室停送电操作指南

电工工具包一般包括哪些工具?

电工工具包中常见的工具 有:试电笔,电工刀,旋凿,钳子,活络扳手等等。 1.试电笔:试电笔又称电笔,常用的试电笔有钢笔式和旋凿式两种,其结构主要由氖管,电阻,弹簧和笔身...
2023-06-27
电工工具包一般包括哪些工具?

电工小白也为难,不知道变压器的作用何在

电工小白就十分纳闷,好好的一个电控柜,悄悄搞的胡里花哨的。220V的电压直接从进线电压380V那里取就好啦,非要加装个变压器,然后再引出220V电压供电给设备用,这不是多此一举么...
2023-04-04
电工小白也为难,不知道变压器的作用何在

PLC 的编程语言,打基础!其实它并不难,建议收藏慢慢看

PLC是专为工业控制而开发的装置,其主要使用者是工厂广大电气技术人员,为了适应他们的传统习惯和掌握能力,通常PLC不采用微机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向问题的...
2023-06-13
PLC 的编程语言,打基础!其实它并不难,建议收藏慢慢看

一文带你读懂整流桥,建议速速收藏好!

【免费下载】 PLC软件下载_PLC软件安装教程_PLC手册下载_PLC案例下载! 【免费学习】 变频器精品课程_西门子PLC精品教程_三菱PLC精品教程! 众所周知,我国电力生产、传输和供电方式基...
2023-06-27

热销商品

EPDM配电箱机柜密封条三元乙丙橡胶半圆海绵自粘发泡胶条20*10mm

EPDM配电箱机柜密封条采用优质三元乙丙橡胶(EPDM)材质,具备优异的耐候性、耐臭氧、耐高低温(-40℃~+120℃)及抗老化性能,适用于户外及严苛环境。其半圆海绵结构设计,兼具...
1.08

保联梅花内六角螺丝刀套装星型梅花t15米字t30工具t10套装t25花型

保联梅花内六角螺丝刀套装是一款多功能且实用的工具,适用于广泛的维修和安装任务。该套装包含多种尺寸的内六角螺丝刀,包括星型、T15米字、T30以及T10,以满足不同大...
2.98

耐磨耐油丁腈耐高温氟胶防水环保级硅胶包覆聚四氟橡胶O型密封圈

本款O型密封圈采用多层复合结构设计,外层为环保级硅胶,具备优异的防水、耐候与生物相容性;中间层采用耐磨耐油的丁腈橡胶(NBR),确保在油污环境中长期稳定运行;内层则选用...
1

管卡安装片 排水管固定悬吊卡丝固定件 角钢角码连接底座 方钢卡

管卡安装片、排水管固定悬吊卡、丝固定件、角钢、角码、连接底座及方钢卡是建筑给排水系统中常用的管道固定与支撑组件。这些配件通过组合使用,可牢固固定各类排水...
0.8

公牛官方旗舰店奶油风空调16A开关插座五孔面板肤感哑光g12米绒白

公牛官方旗舰店推出的奶油风空调16A开关插座五孔面板,以其独特的设计和实用的功能,成为现代家居的完美选择。这款插座采用肤感哑光G12米绒白设计,表面柔和细腻,触感舒...
11.8

网站栏目