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ADI读书活动第六十一期:精密ADC用滤波器设计的实际挑战...

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发表于 2016-12-7 13:27:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑

简介
精密模数转换器应用广泛,如仪器仪表和测量、电力线继电保护、过程控制、电机控制等。目前,SAR 型ADC 的分辨率可达18位甚至更高,采样速率为数MSPS;Σ-Δ 型ADC的分辨率则达到24位甚至32位,采样速率为数百kSPS。
本文讨论在ADC 信号链中实现模拟和数字滤波器以便达到最佳性能所涉及到的设计挑战和考虑。如图1 所示,数据采集信号链可以使用模拟或数字滤波技术,或两者的结合。精密SAR 型和Σ-Δ 型ADC一般在第一奈奎斯特区进行采样,因此,本文将着重讨论低通滤波器。
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         图1.一般数据采集信号链

理想滤波器和实际滤波器
理想低通滤波器应当具有很陡的过渡带,其通带应具有出色的增益平坦度,如图2 中的虚线所示。此外,阻带衰减应将任何残余带外信号降低至0。某些常用实际滤波器的响应如图2中的彩色线条所示。如果通带增益不平坦或有纹波,这种响应可能会影响基频信号。阻带衰减不是无限的,会限制对带外噪声的筛选。过渡带也可能没有陡峭的滚降,导致对截止频率周围的噪声衰减不佳。另外,所有非理想滤波器都会引入相位延迟或群延迟。

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      图2.理想滤波器与实际滤波器的幅度响应对比

模拟滤波器与数字滤波器

模拟低通滤波器可以在ADC转换之前消除信号路径中的高频噪声和干扰,帮助避免混叠噪声污染信号。它还能消除滤波器带宽之外的过驱信号的影响,避免调制器饱和。发生输入过压时,模拟滤波器还能限制输入电流,衰减输入电压。因此,它 能保护ADC输入电路。叠加于接近满量程信号上的噪声尖峰可能会让ADC 的模拟调制器饱和,必须利用模拟滤波器将其衰减。

由于数字滤波发生在转换之后,因而可以移除转换过程中注入的噪声。在实际应用中,采样速率远高于奈奎斯特理论指出的两倍基频信号频率。因此,后置数字滤波器可以利用针对更高信噪比和更高分辨率的滤波技术来降低转换过程中注入的噪声,例如:信号带宽之外的输入噪声、电源噪声、基准源噪声、 数字接口馈通噪声、ADC 芯片热噪声或量化噪声。

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表1简要列出了模拟滤波器与数字滤波器的优点和缺点。


模拟滤波器考虑
抗混叠滤波器放在ADC之前,因此这些滤波器必须为模拟滤波器。理想抗混叠滤波器具有如下特性:通带内具有单位增益, 无增益变化,混叠衰减水平与所用数据转换系统的理论动态范围一致。

数字滤波器考虑
SAR 型和Σ-Δ 型ADC正在稳步实现更高的采样速率和输入带宽。以两倍奈奎斯特速率对一个信号过采样,会将ADC 量化噪声能量均匀扩散到两倍频段中。这样便很容易设计数字滤波器来限制数字化信号的频带,然后通过抽取来提供所需的最终采样速率。这种技术可降低带内量化误差并提高ADC SNR。 它还能放宽滤波器滚降要求,从而减轻抗混叠滤波器的压力。 过采样降低了对滤波器的要求,但需要更高采样速率ADC和更快的数字处理。

结论
本文讨论的挑战和考虑可帮助设计人员设计出实用的滤波器以实现精密采集系统的目标。模拟滤波器必须在不违反系统误差预算的条件下与SAR 型或Σ-Δ 型ADC的非理想输入结构接口,数字滤波器不应在处理器端引起误差。这不是简单的任务,必须在系统规格、响应时间、成本、设计工作量和资源等方面做出权衡。

原文阅读:

http://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/practical-filter-design-precision-adcs.html


进入有奖互动环节:
1;填空:目前,SAR 型ADC 的分辨率可达(    )位甚至更高,采样速率为数MSPS;Σ-Δ 型ADC的分辨率则达到24位甚至(   )位,采样速率为数百kSPS。
2;在精密ADC电路中为何要引入模拟低通滤波器,其作用是什么?
3;后置数字滤波器可以利用针对更高信噪比和更高分辨率的滤波技术来降低转换过程中注入的噪声,举出其可滤除的五类噪声。
4;为精密采集系统设计模拟和数字滤波器时,要做到哪些方面的权衡?
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