1. 数据采集系统概述#

数据采集（DAQ）系统广泛应用于各种需要将真实世界信号数字化的场合，例如温度测量和光传感。设计DAQ系统时，通常需要在模拟-数字转换器（ADC）之前加入反混叠滤波器（AAF），以去除高频噪声和信号。系统的基本结构包括传感器产生的输入信号（VS），低通滤波器（LPF）或反混叠滤波器（AAF），缓冲放大器（op amp），以及将信号传递给ADC的电阻-电容对。ADC一般为逐次逼近型ADC（SAR ADC）。

2. 系统设计中的关键频率#

在设计反混叠滤波器时，有六个关键频率需要考虑：

• fSIGNAL：输入信号带宽
• fLSB：滤波器频率与期望最小有效位（LSB）误差的容忍度
• fC：低通滤波器的角频率
• fPEAK：放大器的最大输出与频率的关系
• fS：ADC采样频率
• fGBW：放大器的增益带宽频率

这些频率的关系可以帮助设计合适的滤波器和选择合适的放大器，以保证系统的性能。

3. 最大信号频率与增益误差的确定#

首先确定输入信号带宽（fSIGNAL），然后计算低通滤波器（LPF）或反混叠滤波器（AAF）的增益误差。在本例中，信号带宽为1 kHz，增益误差设定为1 LSB，对应的增益误差为-2.12 mdB。通过SPICE仿真，观察滤波器的闭环增益响应，可以看到在1.04 kHz时增益误差为-2 mdB。

4. 滤波器的设计与仿真#

使用TINA-TI™ SPICE模型分析一个四阶10 kHz巴特沃斯低通滤波器，得到了闭环增益响应。通过选择适当的增益误差，可以调整滤波器的性能。在仿真中，如果允许更高的增益误差，滤波器的角频率（fC）可以适当调整。

5. 增益带宽频率（fGBW）的定义#

增益带宽频率是设计滤波器时的重要参数，它由低通滤波器的Q因子、增益和角频率（fC）决定。在本例中，使用四阶巴特沃斯滤波器，增益为1 V/V，角频率为10 kHz，计算得到的增益带宽频率（fGBW）为1.31 MHz。放大器OPA2314的增益带宽为2.7 MHz，足以满足设计需求。

6. 放大器的最大输出幅度#

放大器的最大输出幅度决定了其能否提供足够的信号驱动ADC。在本例中，OPA2314的斜率为1.5 V/μs，在5.5 V电源下，最大输出为5.46 V。通过估算可以得出，OPA2314的最大输出电压大约在87.5 kHz时达到。

7. ADC采样频率与噪声抑制#

为避免混叠现象，ADC的采样频率必须高于输入信号频率的两倍（Nyquist准则）。在本例中，SAR ADC的采样频率为100 kHz，Nyquist频率为50 kHz，低通滤波器在此频率下的衰减为约50 dB，有效地抑制了信号路径中的噪声。

8. 结论#

在设计DAQ系统时，从频域角度评估滤波器和ADC的性能是非常重要的。通过选择合适的信号带宽、滤波器角频率、增益带宽频率和ADC采样频率，可以确保系统有效地去除高频噪声并避免混叠。此外，合理设置滤波器的增益误差和采样频率，有助于提高系统的整体性能。