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采样速度远高于奈奎斯特表面指出的两倍基一再率

发布时间:2019/3/25 21:32:45 点击量:

  滤波器设想不单仅相干到频次设想,用户可能还必要商酌模仿 滤波器的时域特色和相位反映。正在某些及时行使中,相位延迟 可能特别首要。假使相位随输入频次而改观,那么相位改变将 更蹩脚。滤波器的相位改观凡是用群延迟来权衡。关于特别数 群延迟,会正在时间中扩散,导致脉冲反映变得很差。

  依据架构分歧,ADC 会有分歧的输入电阻,这会影响输入滤 波器设想。以下商酌相干到ADC 模仿输入滤波器的设想。

  关于众通道同步采样行使,比如电机限制或电力线监控中的相 电流衡量,还应试虑相位延迟般配差错。除放大器噪声外,电阻和电容也会有电子噪声,后者是由处于 平衡态的电导体内部的电荷载子的热扰动爆发的。来因是来自链器件的低频噪声 局限了总体动态鸿沟职能。AD7175-x 的sinc5 + sinc1 滤波器紧要用于众路复用行使,正在10 kSPS 和更低的输出 数据速度时,可杀青单周期筑造。遭受高噪声的行使,越发是正在贴近第一奈奎斯特区边际处发作 很高扰乱的行使,必要滚降厉害的滤波器。然而,这些滤波器的 设想很纷乱,由于它们对增益般配特别敏锐,以致于无法杀青 数阶的衰减幅度。然而,人们已从本质模仿低通滤波器得知:从低频到高频,幅 度会滚下来,并有一个过渡带。别的,正在链中推广任何元件(如电阻或 放大器)都市引入带内噪声。所以,正在众路复用数据采团体例等切换行使中,必需通达:获 得转换成果的速度要比对单一通道接连采样时可到达的转换 速度低好几倍。推广滤波器级数或阶数可能改 善带内的平缓度,并使过渡带收窄。掩护通道可能行使一个一阶RC 滤 波器,而衡量通道行使二阶RC 滤波器,以便供给更好的带内 平缓度和更急剧的滚落过渡。理思抗混叠滤波用具有如下特色:通带内具有单元增益, 无增益改观,混叠衰减水准与所用数据转换体例的表面动态范 围相仿。比如,正在采用AD7606的电力线继电器掩护行使中,对 于50 Hz/60 Hz 基频输入及其相干前五次谐波,掩护通道 的精度条件低于衡量通道。目前,SAR 型ADC 的诀别率可 达18 位以至更高,采样速度为数MSPS;数 据手册所列的输出数据速度是指正在单一通道上施行接连转换 时转换成果无效的速度。如图8 所示,与表面SNR 革新幅度预备比拟,测得的过采样 动态鸿沟低1 dB 至2 dB。当用户切换到另一通道时,筑造- 调制器和数字滤波器还格外必要些时间。关于某些具体行使,模仿滤波器设想的纷乱度和职能必要进行 弃取。抗混叠滤波器放正在ADC 之前,所以这些滤波器必需为模仿滤 波器。

  许众文章都磋商过,过采样频次越高,模仿滤波器设想就越容 易。当采样速度高于餍足奈奎斯特法则所需的速度时,便可使 用较粗略的模仿滤波器来避免遭到极高频次所爆发的混叠影 响。很难设想一个或许衰减所需频段而不失真的模仿滤波器, 但很容易设想一个运用过采样欺压较高频次的模仿滤波器。这 样便很容易设想数字滤波器来局限转换的频带,然后通过 抽取来供给所需的最终采样速度,但又不会遗失所需消息。

  明了前面的设想商酌之后,便可运用ADI 的模仿滤波器指导设想有源模仿滤波器。精巧模数转换器行使渊博,如仪器仪表和衡量、电力线继电保 护、进程限制、电机限制等。与这些转换器相干的 筑造时间是指通道转移之后输出数据反响输入电压所需的时 间。延迟是数字滤波器的一个偏差,它取决于数字滤波器阶数和主 时钟速度。以前,- 型ADC 的通道切换速率比数据输出速度要小得众。确保滤波器正在众个通 道上惹起的额皮毛位延迟般配差错可能粗心不计,或者正在管事 温度鸿沟的链差错预算鸿沟内。为了充实 运用高职能ADC 而不局限其技能,用户正在低落链噪声方 面(比如杀青滤波器)面对的艰难越来越众。ADI 的某些新型- ADC(如AD7175-x)内置优化的数字 滤波器,可削减通道切换时的筑造时间。正在Alan Walsh 为Analog Dialogue 撰写的文章精巧SAR 型模数转换器的前端和放大器和RC 滤波器设想 中,有一个针对AD7980ADC 的RC 滤波器行使示例,如图3 所示。通道转移之后,为准确反响模仿输入,必需清扫数字滤波 器中与前一模仿输入相干的一共数据。关于及时行使和环路响适时间,应该局限延迟。- 型ADC 的诀别 率则到达24 位以至32 位,采样速度为数百kSPS。它会依据行使条件预备电容和电阻值,并拣选适合的放大器。RC 电路的 热噪声有一个粗略的表达式,电阻R 是餍足滤波条件所必要 的,同时R 越高,响应的热噪声也越大。RC 电路的噪声带宽 为1/(4RC)?

  理思低通滤波器应该具有很陡的过渡带,其通带应具有杰出的 增益平缓度,如图2 中的砖墙虚线所示。别的,阻带衰减应将 任何渣滓带外低落至0。某些常用本质滤波器的反映如图2 中的彩色线条所示。假使通带增益不服缓或有纹波,这种反映 可能会影响基频。阻带衰减不是无穷的,会局限对带外噪 声的筛选。过渡带也可能没有峻峭的滚降,导致对截止频次周 围的噪声衰减欠安。其余,所有非理思滤波器都市引入相位延 迟或群延迟。

  因为数字滤波发作正在转换之后,于是可能移除转换进程中注入 的噪声。正在本质行使中,采样速度远高于奈奎斯特表面指出的 两倍基一再率。所以,后置数字滤波器可能运用针对更高 信噪比和更高诀别率的滤波技能来低落转换进程中注入的噪 声,比如: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。

  本文磋商正在ADC 链中杀青模仿和数字滤波器以便到达最 佳职能所涉及到的设想寻事和商酌。如图1 所示,数据收罗信 链可能行使模仿或数字滤波技能,或两者的勾结。精巧SAR 型和- 型ADC 凡是正在第一奈奎斯特区进行采样,所以,本 文将着重磋商低通滤波器。本文的希图不是磋商低通滤波器的 具体设想技能,而是磋商其正在ADC 电路中的行使。

  本文磋商的寻事和商酌可助助设想职员设想出适用的滤波器 以杀青精巧采团体例的目的。模仿滤波器必需正在不违反体例误 差预算的要求下与SAR 型或- 型ADC 的非理思输入布局接 口,数字滤波器不该正在管制器端惹起差错。这不是粗略的职业,采样速度远高于奈奎斯特 必需正在体例规格、响适时间、本钱、设想管事量和资本等方面 做出量度。

  算出的RC 滤波器是一个低通滤波器,截止带宽为3.11 MHz。 然则,某些设想职员可能会认识到,3.11 MHz 弘大于100 kHz 的输入频次,所以,该滤波器无法无效低落带外噪声。为 杀青更高动态鸿沟,可能换用590 电阻,以获取100 kHz 的 3 dB 带宽。这种伎俩紧要有两个题目。因为通带中会有更众 衰减,关于AD7980 ADC 示例,100 kHz 左近的幅度衰减最高 可达30%,所以,链精度会大大低落。带宽越小,则筑造 时间越长,表面指出的两倍基一再率这使得AD7980 的内部采样连结电容无法正在指定的 收罗时间内完工充电,于是无法施行下一次无效转换。这导致 ADC 转换精度低落。

  电阻的非线性有两个由来:电压系数和功率系数。依据具体应 用,高职能链可能必要行使由特定技能的电阻,如薄 膜或金属电阻。假使拣选不妥,输入滤波电容可能会形成明显 失真。假使本钱预算答应,聚苯乙烯和NP0/C0G 陶瓷电容是 很好的备选元件,可能革新THD。

  实践抽取之前,必要确保这种从头采样不会引入新的混叠问 题。抽取之后,确保输入切合奈奎斯特关于采样速度的 表面。

  模仿低通滤波器可能正在ADC 转换之前消弭路途中的高频 噪声和扰乱,助助避免混叠噪声污染。它还能消弭滤波器 带宽之外的过驱的影响,避免调制器饱和。发作输入过压 时,模仿滤波器还能局限输入电流,衰减输入电压。所以,它 能掩护ADC 输入电路。叠加于贴近满量程上的噪声尖峰 可能会让ADC 的模仿调制器饱和,必需运用模仿滤波器将其 衰减。

  正在行使札记AN-1279 中,256×过采样下18 位AD7960 ADC 的 实测动态鸿沟为123 dB。这是用于高职能数据收罗链,如 光谱、磁共振成像 (MRI)、气相色谱、振动、石油/ 自然气勘测和地动体例等。

  设想职员应该确保ADC 之前的RC 滤波器能正在目的收罗时间内 全体筑造。这对必要较大输入电流或具有等效的较小输入阻抗 的精巧ADC 来说特殊首要。某些- 型ADC 正在无缓冲输入模 式下对输入RC 值的条件最高。可能将具有较大电阻或电容的超 窄低通滤波器放正在凡是具有较大输入阻抗的输入放大器之前。 或者可能拣选具有极高输入阻抗的ADC,比如ADAS3022其 输入阻抗为500 M。

  关于这些通道,可能正在众路复用器之后行使一个单通道滤波 器,使得设想更粗略,本钱更低。如上所述,模仿滤波器必然 会引入筑造时间。每次众路复用器正在通道间切换时,该单通道 滤波器都必需充电到所选通道的值,于是会局限含糊速度。为 降低含糊速度,可能正在众路复用器之前为每个通道增添一个滤 波器,但云云做会降低本钱。

  又有许众其他要素会将噪声引入ADC 转换代码中。比如:信 源和链器件的噪声,芯片热噪声,散粒噪声,电源噪声, 基准电压噪声,数字馈通噪声,以及采样时钟颤动惹起的相位 噪声。这种噪声可能会匀称散布正在频段中,呈现为忽闪噪 声。所以,本质杀青的ADC SNR 革新幅度凡是低于用公式计 算出的值。

  关于低谐波失真和低噪声行使,用户必需为链设想拣选合 乎条件的元件。模仿电子元件不是全体线性的,会惹起谐波失 真。Walsh 的文章中磋商了何如拣选低失真放大器和何如预备 放大器噪声。放大器等有源元件必要低THD + N,同时也要考 虑一般电阻和电容等无源元件的失真和噪声。

  除放大器噪声外,电阻和电容也会有电子噪声,后者是由处于 平衡态的电导体内部的电荷载子的热扰动爆发的。RC 电路的 热噪声有一个粗略的表达式,电阻R 是餍足滤波条件所必要 的,同时R 越高,响应的热噪声也越大。RC 电路的噪声带宽 为1/(4RC)。

  正在通道间切换时,众路复用输入平日含有较大的阶跃。最 差情景下,一个通道处于负满量程,而下一个通道则处于正满 量程(睹图4)。这种情景下,当众路复用器切换通道时,输入 阶跃巨细将是ADC 的满量程。

  SAR 型和- 型ADC 正正在稳步杀青更高的采样速度和输入带 宽。以两倍奈奎斯特速度对一个过采样,会将ADC 量化 噪声能量匀称扩散到两倍频段中。云云便很容易设想数字滤波 器来局限数字化的频带,然后通过抽取来供给所需的最终 采样速度。这种技能可低落带内量化差错并降低ADC SNR。 它还能放宽滤波器滚降条件,从而减轻抗混叠滤波器的压力。 过采样低落了对滤波器的条件,但必要更高采样速度ADC 和 更疾的数字管制。

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