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硬之城> 电子元器件知识讲堂> 什么是抗混叠滤波器?

什么是抗混叠滤波器?

时间:2016-10-10 17:19:30 作者:硬姐

摘要:什么是抗混叠滤波器?

       抗混叠滤波器的简介

       抗混叠滤波器(anti-alias filter)是一个低通滤波器,用以在输出电平中把混叠频率分量降低到微不足道的程度。动态信号测试分析系统中为什么要使用抗混滤波器呢?大家都知道“奈奎斯特采样定律”, 在对模拟信号进行离散化时,采样频率f2至少应2倍于被分析的信号的最高频率f1,即: f2≥2 f1;否则可能出现因采样频率不够高,模拟信号中的高频信号折叠到低频段,出现虚假频率成分的现象,称之为:混叠。

       抗混叠滤波器的原理

       工程测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高,因为一般只关心一定频率范围内的信号成份。为解决频率混叠,在对模拟信号进行离散化采集前,采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成份。实际仪器设计中,这个低通滤波器的截止频率(fc) 为:

                                                                                   截止频率(fc)= 采样频率(fs) / 2.56

       在进行动态信号测试中测量仪器必须具有抗混滤波功能,例如:在大型桥梁、高楼、机械设备等动态振动测试及模态分析中,信号所包含的频率成份理论上是无穷的。 例如:桥梁的模态理论上有无限多个,但我们只关心对振动贡献最大的前几阶模态。如果不对振动的模拟信号进行低通抗混滤波,高阶模态频率很可能会混叠到低频段,形成虚假的模态频率,给模态参数识别带来困难。

       抗混叠滤波器的性能指标

       抗混滤波器一般指低通滤波器,但滤波器有低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器、高阻滤波器。滤波器的主要性能指标以低通滤波器为例,理想的低通滤波器为矩形,但实际中是不可能实现的。衡量低通滤波器性能的指标主要包括以下几方面:

       带内波纹度:通带的幅值精度指标,例如:带内波纹度为±0.1dB时,对幅值精度的影响约为±1%(这正是为什么一般的数采器幅值精度可以做到千分之几,一般的数采器用很高的采样频率进行采集,不加低通滤波器)。

       阻带下降斜率:滤波器在截至频率开始下降,下降斜率越大越好。一般采用每个倍频程的下降分贝数衡量,例如:满足工程测量需要的阻带下降斜率约为-80dB/oct。

       滤波器落差:带通到带阻差值的分贝数dB。

       值得一提的是:随着DSP信号处理芯片的出现,现代测试仪器中已采用模拟滤波加数字滤波,使滤波器性能指标突飞猛进。例如:带内波纹度可达±0.05dB,阻带下降斜率可达到约-200dB/oct,大大好于纯模拟滤波器。

      抗混叠滤波器

      在动态信号的数据采集过程中,为了防止高于采祥频率一半的信号产生混叠而造成的误差,抗混叠滤波器是不可少的一般情况下,抗混叠滤波器是低通滤波器,对抗混叠滤波器,其实现难点在于:      ①过渡带必须很陡;      ②截止频率随采样频率的改变而改变;      ③对双(多)通道采集,往往要求两。

        低通滤波环节

        低通滤波环节用于滤除信号中的高频分量。信号采集过程中不可避免地会有高频干扰信号混杂在有用信号当中。为了使这些信号的频率满足奈奎斯特采样定理所规定的范围,除去采集的一些不确定信号对有用信号造成的干扰,并最大程度地抑制或消除混叠现象对数据采集的影响,就需要先利用这个低通滤波器对无用信号进行衰减和滤除。抗混叠滤波器除了对无用信号的衰减和滤除,还可以为ADC转换产生的瞬态能量提供缓冲。

        抗混叠滤波器可以采用无源的低通滤波器,最简单的是一阶RC低通滤波器。或者采用运算放大器加RC网络组成有源滤波器。如果选用二阶低通滤波器,可以使用运算放大器加RC网络组成有源滤波器。如果选用高阶低通滤波器。可以选用低通滤波器集成电路。无源滤波器设计简单,易于掌握,但这种滤波器的实测滤波特性与理论上的预定特性差别较大,在通带内又不能取得良好的阻抗匹配,很难满足对滤波特性精度高的要求:有源滤波器是以网络综合理论为基础的分析方法,它先找出与理想滤波特性相近似的网络函数,然后根据综合方法实现该网络函数,由这种方法设计出来的滤波器实测的滤波特性与理论预定特性十分接近,适合高精度滤波器的设计要求。但是若选用有源滤波器,需要考虑很多问题。比如设计滤波器时要考虑元件参数是否会对前后电路造成影响。设计低通环节要注意滤波器的主要特性指标,如特性频率、带宽、增益与衰减、阻尼系数与品质因数等。

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