高度解析使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

你看沒看到過汽車向前行駛，而車的輪子實際上是向后轉(zhuǎn)呢?如果不是在表演高難度特技的話，我打賭你一定在汽車廣告中看到過。你想沒想過這是為什么呢?

真實的生活如流水般不可中斷，而視頻攝像頭每秒鐘只記錄了有限數(shù)量的畫面。每一幀畫面可以捕捉到處于不同位置的車輪，而這也取決于在幀與幀之間車輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，它們也許真的看上去是向后旋轉(zhuǎn)的!這個效果被稱為混疊。

使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會經(jīng)歷同樣的現(xiàn)象，原因在于這些系統(tǒng)對一個連續(xù)的時間信號進行了不連續(xù)的“抓拍”。在這篇博文中，我將簡要介紹ADC應(yīng)用領(lǐng)域中的混疊到底是什么樣子的。

什么是混疊?

根據(jù)那奎斯特原理，為了在數(shù)字域內(nèi)復(fù)制原始信號，ADC必須至少以輸入信號最高頻率分量的兩倍對輸入信號進行采樣—否則的話，會產(chǎn)生混疊。所需的最小采樣率被稱為那奎斯特速率。或者反過來看，ADC能夠準確轉(zhuǎn)換的最高頻信號為采樣率的一半，這被稱為那奎斯特頻率。

我們來看一個示例數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，在這個示例中，ADC以每秒7個樣本 (SPS) 的速率對6Hz輸入正弦波進行采樣。我們得到的那奎斯特頻率為3.5Hz，對于任何一個頻率大于3.5Hz的輸入信號，會產(chǎn)生原始信號的混疊。圖2顯示的是時間域內(nèi)，使用6Hz原始輸入，以及其兩個混疊的情況：這兩個混疊分別為1Hz和8Hz。由于全部3個正弦波在每個采樣上相交，所以，以7SPS采樣獲得的6Hz正弦波看上去與1Hz或8Hz的正弦波沒有什么不同!當我們查看輸出數(shù)據(jù)時，混疊使我們無法將想要測量的6Hz 正弦波與它的混疊波形區(qū)分開來，并且所需要的信號內(nèi)容也丟失了。

圖2：時間域內(nèi)的混疊

不過，你怎么能知道6Hz正弦波將會在1Hz和8Hz時出現(xiàn)混疊呢?在頻率域內(nèi)觀察混疊會使得這一點變得很明顯。當使用ADC進行采樣時，輸入信號的頻率成分，從DC開始，在數(shù)倍于采樣率的頻率上重現(xiàn)。現(xiàn)在，你應(yīng)該明白術(shù)語“折返”為什么經(jīng)常被用來描述信號的混疊方式了—如果你沿著虛線將圖3折疊起來看，這些信號互相之間完美地重疊在一起。

圖3：頻率域內(nèi)的混疊

為了準確地測量輸入正弦波，采樣率必須滿足那奎斯特采樣標準。在上面的示例中，你需要將采樣率至少增加到12SPS。恰恰在12SPS時，6Hz輸入將仍然折返至DC，并且會在測量值中增加一個偏移，所以，采樣只快了一點點，確保你所需要的信號根本就不會發(fā)生混疊。

不過噪聲情況是怎樣的呢?在整個頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)白噪聲，毫無疑問，白噪聲將從更高頻率混疊返回至DC與那奎斯特頻率之間的通頻帶。產(chǎn)生的是一個更高的帶內(nèi)噪聲水平，而這會降低信噪比 (SNR) 等重要技術(shù)規(guī)格的等級。幸運的是，有一個針對此問題的解決方案：那就是抗混疊濾波器。

抗混疊濾波器

大多數(shù)ADC之前都會有一個抗混疊濾波器，而這個濾波器與衰減信號(超過了所需帶寬)的低通濾波器沒有什么不同。如圖4所示，一個理想抗混疊濾波器的響應(yīng)在那奎斯特頻率之前是絕對水平的，在這個頻率之后，它迅速滾降，以衰減帶外頻率。在這里，采樣率已加倍至14SPS，這將7Hz的那奎斯特頻率和原始6Hz輸入安全的放置在通頻帶之內(nèi)。

圖4：理想抗混疊濾波器的頻率響應(yīng)

設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)這種頻率響應(yīng)類型的濾波器可不是一件容易的事，通常需要有源組件。這些額外的組件會大大增加信號鏈的尺寸、成本和功耗，并且很難達到理想效果。