在取样抗混叠滤波器的设计和应用
混叠在数码摄影是一个众所周知的现象,但它也出现在模拟数字转换。
每当我看着汽车广告的相机锅沿驾驶车辆,总有一个特定的速度在车轮辐条似乎保持静止,甚至后退。我年轻时,我绞尽脑汁想弄明白这是如何可能的,为什么查看轮子相机的区别。后来我了解了采样率与数字系统和如何导致一个叫做混叠现象。
当发生混叠时,信号样本似乎你想有一个恒定的水平,即。,你不能观察一个振荡。这发生在当采样周期等于振荡周期,和采样设备只会可靠地测量一个固定的信号。这个问题是可以克服的几个方面,根据模拟信号的谐波含量和系统的速度。
抗混叠滤波器的设计点
抗混叠滤波器有效地放置在一个低通滤波器输入的模拟数字转换器(ADC)。从理论上讲,任何类型的有源低通滤波器与单位增益可以用作抗混叠滤波器。任何抗混叠滤波器设计打算消除高频信号的内容你想要样品的目的,防止混叠。通过这种方式,在抗混叠滤波器的设计目标是设置过滤器的3 dB截止频率等于采样频率的一半。
当采样模拟信号与一个特定的中心频率,会发生混叠,如果采样频率小于中心频率的两倍。换句话说,如果信号的中心频率采样频率的一半以上,那么将会发生混叠,和ADC将检测别名低频率信号错误,而不是检测所需的输入高频信号的中心频率。当发生混叠,ADC输出一系列量化的数字脉冲信号频率等于采样频率和中心频率的区别。这个特定的采样频率的系统可以防止混叠被称为奈奎斯特频率。
检测到信号的准确性之间的关系和采样率如下图所示。只要你的采样频率足够高(信号频率的两倍多),你总是可以检测到信号精度高;量化变得更加准确,只要你不增加噪音水平。这里的权衡是ADC使用更多的权力,因此产生更多的热量。
在信号采样精度采样率增加。
正弦和任意的模拟信号
如果你想一个示例完美的正弦信号抗混叠滤波器,唯一的工作是消除噪音。你实际上是试图样品单一正弦频率,你只需要设置采样率至少信号频率的两倍。主要考虑在这一点上应该使用一个设备使用正确的分辨率和去除噪声,以防止量子化错误。
如果您正在使用一个任意模拟信号,如射频脉冲radio-over-fiber或电压脉冲激光驱动电路,应用程序可能需要采样信号作为反馈回路的一部分或信号调节循环。任意信号包含谐波组件在广泛传播,和内容可能超过奈奎斯特频率的频率。这意味着任何频率的内容你要样本高于奈奎斯特频率会导致混淆。当输入信号量化,数字输出将反映出原始输入的扭曲版本。
这个问题与采样和混叠见下图。图表显示了任意信号的频谱(红色曲线)。注意,采样率(fs)设置高于一个极端。然而,奈奎斯特频率(采样率的一半)分为光谱的中间。任何频率成分低于奈奎斯特频率都可以准确的采样,而所有高阶频率将别名,将不正确的解释由ADC低频率成分。
示意图显示混叠失真和任意模拟信号
在这个例子中情况下,您有两种选择,以防止数字化输出未能准确反映输入模拟信号:
提高采样率,奈奎斯特频率大于频谱。当任意的信号频率的内容延伸到无穷,你不能增加采样率无穷大。另一个选择是选择一个合适的最大频率,你需要样品。这就引出了第二点……
你应该使用抗混叠滤波器去除所有频率高于奈奎斯特频率的内容。
这第二点应该说明抗混叠滤波器的优势。抗混叠滤波器只是一个低通滤波器截止频率(即。,3 dB)设置为奈奎斯特频率的频率。这个过滤器削减任何高阶频率内容输入信号的频率高于奈奎斯特频率将别名。删除这些频率的信号,ADC现在可以样品剩余谐波含量不创建虚假的低频误差。
为使用ADC设计抗混叠滤波器
抗锯齿过滤器通常设计为高阶有源滤波器使用低噪声放大器。单位增益的目标是设计滤波器在通带和设置3 dB截止频率设置精确等于奈奎斯特频率,进而是你预定的采样率的一半。如果您使用的是可调节的ADC,总是设置3 dB截止的奈奎斯特频率对应的最小采样频率你打算使用你的系统。
抗混叠滤波器的设计是工程有源滤波器的传递函数。这可以简单地选择一个宽带运放和线路非反相输入低通RC滤波器。更先进的设计是使用高阶滤波,这将提供更强的滚边超出了3 dB点波德图。一个例子如下所示。
例子二阶有源低通滤波器,可以用作抗混叠滤波器。
你的信号链高噪声地板,你总是可以增加采样率噪声在传播更大的带宽,然后通过信号通过与所需的抗混叠滤波器的截止频率。这是一种与噪声信号与ADC和抗混叠滤波器。
这也允许您使用抗混叠滤波器截止频率较低与ADC采样率可调。如果噪声地板变得太高,你可以增加采样率,同时保持原始值的截止频率。这噪音的传播更广泛的带宽减少了噪声级传播ADC的输出,从而降低量化误差,允许更高的分辨率。
创建抗混叠滤波器和带它到您的应用程序更容易当你正确的PCB设计和分析软件。OrCAD PSpice软件模拟器和节奏的全部分析工具套件让你模拟你的信号链的行为和你的过滤器将样本模拟信号。您还将获得制造商的部分搜索工具为你选择你所需要的组件抗混叠滤波器,能够快速关联PSpice模型这些过滤器如果你不已经为他们找到一个仿真模型。
如果你想了解更多关于节奏是如何对你的解决方案,跟我们和我们的专家团队。你也可以访问我们YouTube频道对视频模拟、系统分析以及看看有什么新的套件的设计和分析工具。开云体育刀塔2