工程師對模擬濾波設(shè)計(jì)的思考

在談濾波器設(shè)計(jì)的時(shí)候我們在目前所知的范圍內(nèi)需了解兩個(gè)問題：

　　其一是這模擬濾波其本質(zhì)特征到底是什么;

　　其二是我要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是數(shù)字濾波還是模擬濾波。

　　對數(shù)字濾波還是模擬濾波其本質(zhì)區(qū)別理解這里用我的觀點(diǎn)給自己定義的是模擬濾波對于干擾信號相當(dāng)于御敵于國門之外，而數(shù)字濾波相當(dāng)于先開門把狼放近來之后再關(guān)門打狼。二者在戰(zhàn)略上是一致的，都是把干擾信號干掉;戰(zhàn)術(shù)上區(qū)別則很大，以至于很多時(shí)候因?yàn)檫@個(gè)問題把搞數(shù)字濾波的和搞模擬濾波設(shè)計(jì)的對立起來，結(jié)果每一方面都說自己的好，尤其是今天單片機(jī)的運(yùn)算速度快了，DSP的價(jià)格降了，F(xiàn)PGA越來越普及了，使得更多的數(shù)字系統(tǒng)工程師再理解濾波器設(shè)計(jì)的時(shí)候更多傾向于用數(shù)字濾波器，而且更多人寧愿都理想的認(rèn)為使用數(shù)字濾波器最大的好處就是可以通過軟件無限制地對其進(jìn)行調(diào)整，直到其特性滿足設(shè)計(jì)要求，這聽起來很讓人振奮，然而事實(shí)并非如此。

　　僅以低通濾波器為例，模擬低通濾波器是在信號到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換之前，濾除其中的高頻噪聲以及峰值噪聲，而數(shù)字濾波往往無法濾除模擬信號中的峰值噪聲。當(dāng)峰值噪聲接近A/D滿量程時(shí)，可能使A/D轉(zhuǎn)換器的模擬調(diào)制器進(jìn)入到飽和態(tài)，此時(shí)即使輸入信號的平均值在量程范圍內(nèi)也照樣會出現(xiàn)這種飽和。某些類型的A/D的對這種峰值噪聲更是有“請神容易送神難”的感受，進(jìn)入飽和后A/D的整體退飽和很難，有時(shí)甚至需要斷電解決問題。

　　當(dāng)然我們決不能就此直接說數(shù)字濾波不好，直接來個(gè)否定，數(shù)字濾波畢竟利用其平均技術(shù)和過采樣等技術(shù)使得其可以減少頻帶內(nèi)噪聲，數(shù)字濾波可以成功濾除A/D轉(zhuǎn)換過程中的引入的噪音，例如量化噪音，而模擬濾波則無法完成此類任務(wù)。數(shù)字濾波的可編程設(shè)計(jì)相對于模擬濾波設(shè)計(jì)有更大的靈活性。今天用數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)的各種形式的濾波器，包括Butterworth,Bessel,Chebyshev,橢圓，F(xiàn)IR,IIR,到FFT類型的數(shù)字濾波器，其靈活的應(yīng)用在某些性能上已非模擬濾波器所及。當(dāng)然芯片技術(shù)發(fā)展同時(shí)也催生了二者在優(yōu)勢上的互補(bǔ)，新的開關(guān)電容濾波器的出現(xiàn)似乎預(yù)示二者也在吸取對方好的一面，目前MAXIM,LINER,TI等公司都有自己獨(dú)到的開關(guān)電容濾波器產(chǎn)品，而且性能也不錯(cuò)，CYPRESS公司則獨(dú)創(chuàng)整合開關(guān)電容模塊和模擬模塊，數(shù)字模塊以及單片機(jī)內(nèi)核，自己可以根據(jù)需求靈活配置其PSOC實(shí)現(xiàn)各種濾波器，更是代表一種設(shè)計(jì)方向。

　　我這里所重點(diǎn)談及的濾波器更多的是在自動(dòng)檢測，自動(dòng)控制和電子儀器中廣泛應(yīng)用的M級以下模擬濾波器，數(shù)字濾波器的繁榮并不妨礙我對模擬濾波器應(yīng)用的情有獨(dú)鐘，數(shù)字濾波器以及開關(guān)電容濾波器的出現(xiàn)并不能在廣義上完全取代已經(jīng)用了幾十年而且至今還沒完全搞懂的模擬濾波器設(shè)計(jì)，否則我們也沒有必要去再學(xué)模擬濾波器設(shè)計(jì)。御敵于國門之外必有其道，盜亦有道，只是每個(gè)人的道不同而已，這并不妨礙我對我自己設(shè)計(jì)的理解。