工程師對模擬濾波設計的思考

在談濾波器設計的時(shí)候我們在目前所知的范圍內需了解兩個(gè)問(wèn)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是數字濾波還是模擬濾波。

　　對數字濾波還是模擬濾波其本質(zhì)區別理解這里用我的觀(guān)點(diǎn)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(mén)之外，而數字濾波相當于先開(kāi)門(mén)把狼放近來(lái)之后再關(guān)門(mén)打狼。二者在戰略上是一致的，都是把干擾信號干掉;戰術(shù)上區別則很大，以至于很多時(shí)候因為這個(gè)問(wèn)題把搞數字濾波的和搞模擬濾波設計的對立起來(lái)，結果每一方面都說(shuō)自己的好，尤其是今天單片機的運算速度快了，DSP的價(jià)格降了，FPGA越來(lái)越普及了，使得更多的數字系統工程師再理解濾波器設計的時(shí)候更多傾向于用數字濾波器，而且更多人寧愿都理想的認為使用數字濾波器最大的好處就是可以通過(guò)軟件無(wú)限制地對其進(jìn)行調整，直到其特性滿(mǎn)足設計要求，這聽(tīng)起來(lái)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A/D轉換之前，濾除其中的高頻噪聲以及峰值噪聲，而數字濾波往往無(wú)法濾除模擬信號中的峰值噪聲。當峰值噪聲接近A/D滿(mǎn)量程時(shí)，可能使A/D轉換器的模擬調制器進(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也照樣會(huì )出現這種飽和。某些類(lèi)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(wèn)題。

　　當然我們決不能就此直接說(shuō)數字濾波不好，直接來(lái)個(gè)否定，數字濾波畢竟利用其平均技術(shù)和過(guò)采樣等技術(shù)使得其可以減少頻帶內噪聲，數字濾波可以成功濾除A/D轉換過(guò)程中的引入的噪音，例如量化噪音，而模擬濾波則無(wú)法完成此類(lèi)任務(wù)。數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。今天用數字濾波實(shí)現的各種形式的濾波器，包括Butterworth,Bessel,Chebyshev,橢圓，FIR,IIR,到FFT類(lèi)型的數字濾波器，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(shù)發(fā)展同時(shí)也催生了二者在優(yōu)勢上的互補，新的開(kāi)關(guān)電容濾波器的出現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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電容模塊和模擬模塊，數字模塊以及單片機內核，自己可以根據需求靈活配置其PSOC實(shí)現各種濾波器，更是代表一種設計方向。

　　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用的M級以下模擬濾波器，數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，數字濾波器以及開(kāi)關(guān)電容濾波器的出現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(méi)完全搞懂的模擬濾波器設計，否則我們也沒(méi)有必要去再學(xué)模擬濾波器設計。御敵于國門(mén)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計的理解。