模数转换器 (ADC)

5.4 混叠及抗混叠滤波器

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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