嵌入式系统中的滤波器使用与设计
－来自Bonnie Baker著作的摘记
kenny 2007.07.28
在嵌入式电路设计中,有时候可以采用模拟电路来设计滤波器,有时候可以利用单片机或者微处理器的软件在数字域重现所有模拟滤波器的频率响应,设计相应的数字滤波器。在使用AD转换器的每一个电路中都需要考虑模拟低通滤波器。逐次逼近型（SAR）转换器、DELTA-SIGMA转换器、流水型、双斜率或者其他类型的AD转换器，都需要考虑这一点。这种低通滤波器通常放置在信号路径的模拟侧，同时也要放在AD转换器的前面。数据采集系统经常要用滤波器滤除不需要的信号，模拟滤波器用来滤除转换器一半采样频率之外的高频噪声，数字滤波器用来滤除频带内的噪声。模拟滤波器一般放置在AD转换器的前面，相比之下，数字滤波器则放置在AD转换器的后面。然而在有些系统中，模拟滤波器和数字滤波器的位置无需考虑。
为什么需要模拟低通滤波器（LPF）？首先，模拟信号中包含高频和低频噪声。根据奈奎斯特定律，对于任何频率的信号（或噪声），如果不被精确转换成数字量，就可能被混淆入其他信号。经过AD转换器的信号，都包含与之相关的幅度信息。只要信号的频率低于AD转换器输入级的带宽，AD转换器就能可靠地将信号的幅度信息转换为数据。虽然幅度信息被保留了，但是信号的频率信息就不是这样了。对于超过1/2f（f为AD转换器的采样频率）的输入信号，经过采样之后，其信号被折返到采样频率之内，因此，经过AD转换后，可能很难从转换后的数据判断输入信号是在1/2f之内还是高于1/2f。根据奈奎斯特定律，信号被混叠了。一旦这种混叠发生，就无法复原到原始信号。
模拟低通滤波器在信号到达AD转换器之前，滤除其中的高频噪声和一些峰值噪声。而数字滤波器是无法滤除掉模拟信号中的峰值噪声。同时，当信号中的峰值噪声峰值接近AD转换器的满量程时，可能使AD转换器的模拟调制器进入饱和状态。即使在输入信号的平均值处于量程的限制之内，也可能出现这种现象。AD转换器之前放置模拟滤波器，可以帮助在模拟电路和转换器电路中成功地达到很高的分辨率设计目标。
相反，数字滤波器利用过采样和平均技术可以减小频带内噪声。数字滤波是在AD转换之后进行的，所以数字滤波器只能滤除在AD转换过程中引入的噪声（如量化噪声）。模拟滤波器是无法完成这种任务的。同时数字滤波器可以编程设定，比模拟滤波器具有更大的灵活性。根据数字滤波器的设计，能够很容易地设置滤波器的截止频率和输出数据率。
