來源：羅姆半導體社區

為數據采集系統選擇合適的低通(抗混疊)濾波器并不像看起來那么簡單。一般情況下，根據轉換器的采樣頻率選擇低通濾波器的轉角頻率比較簡單，只要把濾波器的轉角頻率設為Nyquist采樣頻率的1/2即可。但是，開發一款能瞬間從+1V/V 增益轉換到零的模擬“磚墻式”濾波器是不切實際的。因此，從頻率的角度設計濾波器電路，必須考慮諸如濾波器帶寬設計和階數(極點的數量)之類的問題。本文將介紹能幫助確定低通濾波器的階數、逼近類型和一些電路拓撲的技術。

ADC前必須使用濾波器

數據采集系統中，低通濾波器直接用于ADC之前，以降低高頻噪聲。關于數據采集系統中使用低通濾波器的合理性有兩種錯誤的觀點。第一種誤解是：轉換直流或低頻信號時不需要低通濾波器。因為這些低頻信號根本沒有噪聲，因此，設計人員認為不需要低通濾波器。假設有一個在低頻狀態下運行的系統，但有源/無源模擬器件會將高頻噪聲引入信號路徑。電阻是一種常見的會產生噪聲的無源器件。無論有沒有電壓或電流激勵，每個電阻自身都會產生熱電壓噪聲。在頻率達到電阻的寄生電容(~0.5pF)開始衰減噪聲的頻率之前，這種噪聲的幅值為常數。

運算放大器是有源器件，會在內部產生噪聲。放大器的噪聲主要是由前端差分輸入對造成的。頻率越低，噪聲越高。此外，其它有源器件也會產生噪聲，如電源內的開關動作。最后，噪聲可以從外部信號輻射進入信號路徑。

另外一個誤解是：ADC的輸入級會過濾掉高于采樣頻率的信號，或者采樣頻率會限制所轉換的信號頻率范圍。這兩點都是錯誤的，因為ADC是采樣系統，所以無論信號的頻率如何，它只是給信號拍一個“快照”。轉換器根據所采集的各時間點的快照，在1/2采樣頻率的范圍內給出信號的數字表示。這就是所謂的混疊。

綜上所述，在設計含有ADC的系統時，必須在轉換器前使用一個低通濾波器。如果ADC采樣時信號路徑中有不需要的信號，這些信號也會被轉換并混疊在數字輸出信號中。這樣，就不可能在數字代碼中區分好的信號和不好的信號。

如果想從信號中去除不需要的高頻噪聲，“磚墻式”濾波器似乎是理想的解決方案，但如前所述，設計一款“磚墻式”低通濾波器是不可行的。“磚墻式”濾波器極其不穩定，而且實現起來耗資不菲。下面會討論一些標準濾波器技術，這里應注意，二階低通有源濾波器需要1個運算放大器、2個電容和至少2個電阻。

濾波器的階數應取決于應用的條件。必須考慮三個參數：信號的最大頻率、噪聲的預期幅值和轉換器的最低有效位(LSB)大小。最后，ADC的采樣頻率必須達到系統的要求。

模擬濾波器是數據采集系統的關鍵組成部分。如果沒有模擬濾波器，頻率超出ADC采樣帶寬一半的信號會混疊進信號路徑。一旦信號在數字化的過程中被混疊，就不可能區分帶內和帶外噪聲頻率。

審核編輯 黃昊宇