混叠及抗混叠滤波器

你好 欢迎参加 TI 高精密实验室 本章节将讨论混叠和抗混叠滤波器 混叠是一种误差 我们希望将这种误差降到最低 通常来说 混叠发生在采样系统采样率 不够快的情况下 经常看到车轮转得很快 但实际我们眼睛发现转得很慢 甚至反转 实际上就是眼睛的采样率不够高 导致的混叠信号 可以从时域和频域两个维度来探讨 ADC 的混叠现象 左图是时域的混叠 输入信号是 900kHz 采样率是 1M 所以每一个黑点代表一个采样点 将这些点集中起来 就是一个100kHz的信号 这个信号叫做混叠信号 实际上任何超过采样率一半的输入信号 都会产生混叠信号 这个频率限制叫做奈奎斯特频率 超过奈奎斯特频率的信号都会产生混叠 所以需要仔细设计 右图从频域的角度来分析混叠现象 信号和条件与左侧一致 输出能观测到的混叠信号 100kHz 有时候这个混叠信号也叫做 折叠信号或者镜像信号 举个例子 1M SPS的采样率 奈奎斯特频率是 0.5MHz 输入一个 0.25MHz 3V 的信号 再输入一个 2.6MHz 1V的信号 我们发现输出频谱包含 0.25MHz和 0.4MHz的信号 后者就是由于输入信号超过奈奎斯特频率 产生的混叠信号 高于 0.5MHz FFT 本身产生频率现象 高于 1MHz FFT 会不断重复 我们将奈奎斯特频率以上的频率隐藏起来 因为是冗余信息 因为是冗余信息 所以仅仅需要观察 0 到 0.5M 区间 0.4MHz 的混叠信号不是我们希望的 所以希望使用抗混叠滤波器来消除 最好的避免混叠的方法 就是使用抗混叠滤波 其目的是将奈奎斯特频率以上的噪声 衰减到足够低 例如输入信号 2kHz 然后有一个 700kHz 的噪声信号 不使用滤波器 1MHz 采样率会导致 700kHz 的噪声发生混叠 干扰信号 例子中使用一个截止频率为 10kHz 的 二阶低通滤波器 在 700kHz 的地方可以衰减 70dB 这样的噪声衰减之后 就会变得很小 虽然衰减后的噪声也会发生混叠 但是因为很小 所以就不重要了 图中展示了典型的 SAR ADC 输入电路 包含二阶有源抗混叠滤波器 和 RC 无源滤波器 有源滤波器设计的截止频率为 8.6kHz 这样在奈奎斯特频率处有 60dB 的衰减 RC 滤波器提供开关电容 需要的瞬间电荷 并不是抗混叠滤波器 可以看到 RC 滤波器的截止频率是 15.8MHz 远高于奈奎斯特频率 起不到抗混叠的作用 下面我们将简单介绍一下 RC 滤波器的作用 如果将信号发生器直接连接到 开关电容型 SAR 型 ADC 将会得到如图所示的波形 信号源有一个阻抗 内部的开关也有自身的阻抗 当内部开关导通采样的时候 因为源阻抗的原因 源不足以快速的提供电荷 给内部采样电容 信号源不足以快速的提供电荷 给内部的采样电容 这样采用到的电压就会跌落 并不是真实的电压 RC 滤波器的作用就是提供一个电荷缓冲 瞬间提供电荷给内部的采样保持电容 好的 本章节就到这里 你也可以通过测验题来提高您对这个章节的理解