如何透過濾波消除A/D轉換的雜訊

作者 : Don Dingee,Planet Analog特約作者

透過濾波來清理類比/數位(A/D)轉換是有助於改變結果的有效步驟…

在暖通空調系統、飲水機以及汽車引擎蓋下經常可以看到機械式濾網。但總要到幾個月後在更換空氣濾網時,才發現周圍漂浮著多少雜質,如果不是因為堵塞可能都沒注意到。這就出現了一個問題:電子訊號會變髒嗎?雜訊來自於類比電路,也是將訊號處理轉至數位的主要原因。

然而,還有更多的電子雜訊。如果它通過了類比數位轉換器(ADC)的輸入,則數位資料可能會變雜亂。而對於許多創客專案來說,透過濾波來清理類比/數位(A/D)轉換是有助於改變結果的有效步驟。

雜訊的三個分類

從定義來講,純粹主義者認為,在目標訊號周圍不期望的任何東西都是雜訊。不同類別的電子雜訊產生不同的影響,因此需要不同的處理方法。這些影響在時域中可能更難視覺化,但在頻域中就變得明顯。由於Nyquist和Shannon的作用,使用ADC對訊號進行採樣能讓頻域發揮作用。

第一類是白雜訊。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段上的雜訊。完美的白雜訊包含熟悉的鐘形高斯(Gaussian)分佈。在此討論中,我接受分佈均勻的雜訊,從低頻直到可能超過A/D轉換器取樣速率的頻率。

第二類是雜散訊號。可能有某個特定頻率的訊號來自某處,但與目標訊號無關。我有幾個揚聲器可透過USB連接到PC,它包括一個重低音喇叭。購買後不久,重低音喇叭發出令人討厭的嗡嗡聲。當打開交流電源(AC)時它似乎是恒定的,但聽起來高於60Hz。長話短說,這是因為將放大器固定在重低音喇叭外殼的螺絲鬆動了。一點重擊就會引起撞擊聲,經過反饋形成共振聲。只要擰緊螺絲即可解決。其他例子還包括由於電磁干擾(EMI)、元件間的諧振以及寄生電容和電感源所引起的雜散訊號。

最後一類是諧波。對於慢速感測器(例如每秒擷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。隨著目標訊號頻率的增加,就會有事情發生,例如在音訊應用中。完美的類比訊號應該是一個完美的正弦波,以完美的線性元件處理,然後在A/D轉換時對其進行完美採樣。任何非線性都會使訊號失真。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。波形越「方」,所包含的2次、3次、4次和更高次諧波就越強。

1:訊號的頻域圖及其諧波、雜散訊號和雜訊。(圖片來源:NF公司)

濾波可以是類比、數位或二者

現在,針對每一類問題提出解決策略。

  • 對於訊號夠強時的白雜訊,可以經由過採樣、移動平均值或其他技術,同時利用統計隨機加以均衡。
  • 目標訊號頻寬內的雜散訊號需要在靠近其來源端加以消除;否則,A/D轉換器只會將其數位化並與目標訊號混合在一起。
  • 對A/D轉換器進行濾波以抑制諧波,可消除一些非線性影響。

即使對於有經驗的設計人員來說,濾波也是一個複雜的主題。與其在此嘗試設計特定的濾波器,不如看看濾波應該試著做些什麼。濾波可以在A/D輸入之前以類比方式進行,也可以在轉換後以數位方式進行。A/D轉換器的取樣速率通常設置為目標訊號最高頻率的至少兩倍,即Nyquist標準。通常,這個取樣速率會設定得更高以留出裕量。

類比的低通濾波器應與選定的A/D取樣速率相匹配。它應該讓目標頻寬內的訊號通過,並切斷任何更高頻率的訊號——即雜訊、雜散訊號或諧波。然而,這個過程並不會如此完美。例如,通帶內可能有紋波,截止過程可能不是非常理想。類比濾波器會產生輕微的相位延遲,需要時間來調整,從而影響A/D轉換器正確採樣和調整的能力。周圍帶有濾波的主動驅動器可能比被動濾波更可取。

數位低通濾波器具有可編程特性以及無需外部元件的優點。缺點是,它會引起更多的延遲,並且根據建置的不同,可能會增加一些量化雜訊。數位濾波器還可以用硬體來降低雜訊,從而減少軟體的運算負擔。如果運用過採樣抽取法,則可能需要用類比濾波器來消除訊號中的混疊偽影。

2:簡單的A/D轉換濾波鏈。(圖片來源:ADI)

大多數所需物件可能已經到位

好消息是,如果要對A/D轉換的輸入進行縮放,那麼添加類比濾波就很簡單了,因為已經有了放大器。智慧感測器也整合了數位濾波,製造商需要做的就是開啟、選擇參數,然後取得濾波結果。

使用濾波清理A/D轉換,有助於應用獲得連續訊號,因此功耗就不那麼令人擔憂了。對於處理音訊、視訊或任何需要擷取高速訊號的製造商來說,採用A/D濾波技術通常是個好辦法。

(參考原文:How to clean up noise in A/D conversion with filtering,by Don Dingee)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年5月號雜誌

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論