工程師對模擬濾波設計的思考

在談濾波器設計的時候我們在目前所知的范圍內(nèi)需了解兩個問題：

　　其一是這模擬濾波其本質(zhì)特征到底是什么;

　　其二是我要設計的系統(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給自己定義的是模擬濾波對于干擾信號相當于御敵于國門之外，而數(shù)字濾波相當于先開門把狼放近來之后再關門打狼。二者在戰(zhàn)略上是一致的，都是把干擾信號干掉;戰(zhàn)術上區(qū)別則很大，以至于很多時候因為這個問題把搞數(shù)字濾波的和搞模擬濾波設計的對立起來，結果每一方面都說自己的好，尤其是今天單片機的運算速度快了，DSP的價格降了，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計的時候更多傾向于用數(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行調(diào)整，直到其特性滿足設計要求，這聽起來很讓人振奮，然而事實并非如此。

　　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。當峰值噪聲接近A/D滿量程時，可能使A/D轉(zhuǎn)換器的模擬調(diào)制器進入到飽和態(tài)，此時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，進入飽和后A/D的整體退飽和很難，有時甚至需要斷電解決問題。

　　當然我們決不能就此直接說數(shù)字濾波不好，直接來個否定，數(shù)字濾波畢竟利用其平均技術和過采樣等技術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。數(shù)字濾波的可編程設計相對于模擬濾波設計有更大的靈活性。今天用數(shù)字濾波實現(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，其靈活的應用在某些性能上已非模擬濾波器所及。當然芯片技術發(fā)展同時也催生了二者在優(yōu)勢上的互補，新的開關電容濾波器的出現(xiàn)似乎預示二者也在吸取對方好的一面，目前MAXIM,LINER,TI等公司都有自己獨到的開關電容濾波器產(chǎn)品，而且性能也不錯，CYPRESS公司則獨創(chuàng)整合開關電容模塊和模擬模塊，數(shù)字模塊以及單片機內(nèi)核，自己可以根據(jù)需求靈活配置其PSOC實現(xiàn)各種濾波器，更是代表一種設計方向。

　　我這里所重點談及的濾波器更多的是在自動檢測，自動控制和電子儀器中廣泛應用的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用的情有獨鐘，數(shù)字濾波器以及開關電容濾波器的出現(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計，否則我們也沒有必要去再學模擬濾波器設計。御敵于國門之外必有其道，盜亦有道，只是每個人的道不同而已，這并不妨礙我對我自己設計的理解。