精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑

SNR 改善

利用过采样和抽取滤波器所取得的SNR 改善，可从N 位ADC 的 理论SNR 求得：SNR = 6.02 ×N + 1.76 dB + 10 ×log10[OSR]，OSR = f_s/(2 ×BW)。注意：此公式仅适用于只存在量化噪声的理想ADC。

图7.奈奎斯特转换器过采样

还有很多其他因素会将噪声引入ADC 转换代码中。例如：信号源和信号链器件的噪声，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，以及采样时钟抖动引起的相位噪声。这种噪声可能会均匀分布在信号频段中，表现为闪烁噪声。因此，实际实现的ADC SNR 改善幅度一般低于用公式计算出的值。

2. EVAL-AD7960FMCZ 评估板上利用过采样实现的动态改善

在应用笔记AN-1279 中，256×过采样下18 位AD7960 ADC 的实测动态范围为123 dB。这是用于高性能数据采集信号链，如光谱分析、磁共振成像(MRI)、气相色谱分析、振动、石油/ 天然气勘探和地震系统等。

如图8 所示，与理论SNR 改善幅度计算相比，测得的过采样动态范围低1 dB 至2 dB。原因是来自信号链器件的低频噪声限制了总体动态范围性能。

(a) 无OSR 的动态范围

(b) OSR = 256 的动态范围

图8.OSR 256 时的动态范围改善

3. 充分利用SAR 型和Σ-Δ 型ADC 中的集成数字滤波器

数字滤波器通常位于FPGA、DSP 或处理器中。为了减少系统设计工作，ADI 公司提供了一些集成后置数字滤波器的精密ADC。例如，AD7606 集成了一个一阶后置数字sinc 滤波器用于过采样。它很容易配置，只需上拉或下拉OS 引脚。Σ-Δ 型 ADC AD7175-x 不仅有传统sinc3 滤波器，还有sinc5 + sinc1 和增强型50 Hz/60 Hz 抑制滤波器。AD7124-x 提供快速建立模式（sinc4 + sinc1 或sinc3 + sinc1 滤波器）功能。

4.多路复用采样ADC 的延迟取舍

延迟是数字滤波器的一个缺点，它取决于数字滤波器阶数和主时钟速率。对于实时应用和环路响应时间，应当限制延迟。数据手册所列的输出数据速率是指在单一通道上执行连续转换时转换结果有效的速率。当用户切换到另一通道时，建立Σ-Δ 调制器和数字滤波器还额外需要些时间。与这些转换器相关的建立时间是指通道变更之后输出数据反映输入电压所需的时间。通道变更之后，为精确反映模拟输入，必须清除数字滤波器中与前一模拟输入相关的全部数据。

以前，Σ-Δ 型ADC 的通道切换速度比数据输出速率要小得多。因此，在多路复用数据采集系统等切换应用中，必须明白：获得转换结果的速率要比对单一通道连续采样时可达到的转换速率低好几倍。

ADI 公司的某些新型Σ-ΔADC（如AD7175-x）内置优化的数字滤波器，可减少通道切换时的建立时间。AD7175-x 的sinc5 + sinc1 滤波器主要用于多路复用应用，在10 kSPS 和更低的输出数据速率时，可实现单周期建立。

5.数字滤波器通过抽取避免混叠

很多文章都讨论过，过采样频率越高，模拟滤波器设计就越容易。当采样速率高于满足奈奎斯特准则所需的速率时，便可使用较简单的模拟滤波器来避免受到极高频率所产生的混叠影响。很难设计一个能够衰减所需频段而不失真的模拟滤波器，但很容易设计一个利用过采样抑制较高频率的模拟滤波器。这样便很容易设计数字滤波器来限制转换信号的频带，然后通过抽取来提供所需的最终采样速率，但又不会丧失所需信息。

实施抽取之前，需要确保这种重新采样不会引入新的混叠问题。抽取之后，确保输入信号符合奈奎斯特关于采样速率的理论。

EVAL-AD7606/EVAL-AD7607/EVAL-AD7608EDZ 评估板可以每通道200 kSPS 的速率运行。在下面的测试中，配置其采样速率为6.25 kSPS，过采样比为32。然后，将一个3.5 kHz –6 dBFS 正弦波施加于AD7606。图9 显示2.75 kHz (6.25 kHz –3.5 kHz) 处有一个–10 dBFS 混叠镜像。因此，若ADC 之前没有合格的抗混叠模拟滤波器，当使用过采样时，数字滤波器就可能会因为抽取而引起混叠镜像。应使用模拟抗混叠滤波器来消除这种叠加于模拟信号上的噪声尖峰。

图9.OSR 抽取采样率小于奈奎斯特频率时的混叠

结论

本文讨论的挑战和考虑可帮助设计人员设计出实用的滤波器以实现精密采集系统的目标。模拟滤波器必须在不违反系统误差预算的条件下与SAR 型或Σ-Δ 型ADC 的非理想输入结构接口，数字滤波器不应在处理器端引起误差。这不是简单的任务，必须在系统规格、响应时间、成本、设计工作量和资源等方面做出权衡。

参考电路

Holdaway, Mark. "ADC 用抗混叠滤波器设计"。EDN，2006 年。
Walsh, Alan。 精密SAR 型模数转换器的前端放大器和RC 滤波器设计。Analog Dialogue，第46 卷第4 期，2012 年。
Wescott，Tim；Wescott 设计服务。"采样：奈奎斯特没说什么 以及怎么办"。Wescott 研讨会，2015 年。
巴特沃兹滤波器设计。
模拟和数字抗混叠滤波。