機械過濾器很容易在暖通空調系統和飲水機中以及汽車引擎蓋下找到。幾個月后更換空氣過濾器，才發現有多少雜質漂浮在周圍直到堵塞而未被注意到。這就提出了一個問題：電子信號會變臟嗎？噪聲來自模擬電路，因此也就是將信號處理轉到數字的重要原因。aSiednc

然而，還有更多的電子噪聲。如果它通過了一個模數轉換器(ADC)的輸入，則數字數據就可能很臟。對于許多創客項目來說，通過濾波來清理模數轉換是有助于取得結果的有效步驟。aSiednc

噪聲的三個分類

從定義來講，我現在可以聽到純粹主義者講目標信號周圍不期望的任何東西都是噪聲。不同類別的電子噪聲會產生不同的影響，因此需要不同的處理方法。這些影響在時域中可能更難可視化，但在頻域中就變得明顯。使用ADC對信號進行采樣可以讓頻域發揮作用，這多虧了Nyquist和Shannon所做的工作。aSiednc

第一類是白噪聲。在可見光譜中，白色是所有顏色的集合。在電子頻譜中，白色是指出現在一個頻帶上的噪聲。完美的白噪聲必然包含熟悉的鐘形高斯分布。在本次討論中，我會接受分布均勻的噪聲，從低頻直到可能超過模數轉換器采樣率的頻率。aSiednc

第二類是雜散信號?？赡苡心硞€特定頻率的信號來自某處，但與目標信號無關。和你們許多人一樣，我有幾個揚聲器通過USB連接到我的PC，并帶有一個低音炮。購買后不久，低音炮發出令人討厭的嗡嗡聲。當打開交流電源時它似乎是恒定的，但聽起來高于60Hz。長話短說，這是因為將放大器固定在低音炮外殼上的螺絲松動了。一點重擊就會引起撞擊聲，經過反饋就會形成共振聲。擰緊螺絲，就可解決。其他例子還包括由于電磁干擾(EMI)、元器件之間的諧振以及寄生電容和電感源所引起的雜散信號。aSiednc

最后一類是諧波。對于慢速傳感器（例如，每秒獲取一次溫度讀數或每秒10次壓力讀數），諧波通常不會產生太大影響。隨著目標信號頻率的增加，就會有事情發生，例如在音頻應用中。一個完美的模擬信號應該是一個完美的正弦波，用完美的線性元件處理，然后在模數轉換時對其進行完美采樣。任何非線性都會使信號失真。諧波是以基波整數倍頻率的正弦波加在一起的方式開始出現。波的形狀越“方”，它所包含的2次、3次、4次和更高次諧波就越強。aSiednc

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圖1：信號的頻域圖及其諧波、雜散信號和噪聲。(圖片來源：NF公司)aSiednc

濾波可以是模擬、數字或兩種方式

現在，針對每一類問題提出解決策略。aSiednc

對于足夠強的信號下的白噪聲，可以通過過采樣、移動平均值或其他技術，同時利用統計隨機性進行平均化消除。目標信號帶寬內的雜散信號需要在靠近其源端位置消除；否則，模數轉換器只會將其數字化并與目標信號混合在一起?？梢酝ㄟ^對模數轉換器進行濾波，消除一些非線性影響來抑制諧波。

即使對于有經驗的設計人員來說，濾波也是一個復雜的話題。與其在此嘗試設計特定的濾波器，不如讓我們看看濾波應該嘗試著做什么。濾波可以在模數輸入之前以模擬方式進行，也可以在轉換過程以后以數字方式進行。模數轉換器的采樣率通常設置為目標信號最高頻率的至少兩倍，即Nyquist標準。通常，為了留出裕量，這個采樣率會設定得更高。aSiednc

模擬低通濾波器應與選定的模數采樣率相匹配。它應該讓目標帶寬內的信號通過而切斷任何更高頻率的信號——噪聲、雜散信號或諧波。然而，這個過程并不完美。比如，通帶內可能有紋波，截止過程可能不是非常理想。模擬濾波器會產生輕微的相位延遲，需要時間來調整，這會影響模數轉換器正確采樣和調整的能力。正如“How to assist ADCs with external analog drivers”一文中所討論的，周圍帶有濾波的有源驅動器可能比無源濾波更可取。aSiednc

數字低通濾波器具有可編程性及無需外部元器件的優點。缺點是，它會引入更多的延遲，并且根據實現的不同，它可能會增加一些量化噪聲。數字濾波器還可以用硬件來降低噪聲，從而減少軟件的一些計算負擔。如果運用過采樣抽取法，則可能需要用模擬濾波器來消除信號中的混疊偽影。aSiednc

ADI公司的設計文章“Practical Filter Design Challenges and Considerations for Precision ADCs”更深入地探討了這些模數濾波的優缺點和權衡。aSiednc

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圖2：這是一個簡單的模數轉換濾波鏈的樣子。(圖片來源：ADI)aSiednc

大多數需要的東西可能已經到位

好消息是，如果要對模數轉換的輸入進行縮放，那么添加模擬濾波就很簡單了，因為已經有了放大器。智能傳感器也集成了數字濾波，制造商需要做的就是打開它，選擇參數，然后就能得到濾波結果。aSiednc

使用濾波清理模數轉換，有助于應用獲得連續信號，因此功耗就不那么令人擔憂了。對于處理音頻、視頻或任何需要捕獲高速信號的制造商來說，采用模數濾波技術是個好主意。aSiednc

DonDingee在美國通用動力公司（GeneralDynamics）從事導彈制導系統研究十年后，成為摩托羅拉VMEbus和單板計算機技術的傳道者。他為PlanetAnalog網站撰寫有關傳感器、ADC/DAC和信號處理的文章。aSiednc

（原文刊登于EDN姊妹網站Planet Analog，參考鏈接：HowtocleanupnoiseinA/Dconversionwithfiltering，由FranklinZhao編譯。）aSiednc

本文為《電子技術設計》2022年4月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。aSiednc

責編：Franklin

關鍵詞： 模數轉換 模數轉換器 低通濾波器