通過(guò)采樣減緩信號(hào)的頻率

“大家肯定都知道奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率必須至少是信號(hào)最高頻率的兩倍，否則會(huì)導(dǎo)致混疊現(xiàn)象（aliasing），即高頻信號(hào)被錯(cuò)誤地解釋為低頻信號(hào)，從而無(wú)法準(zhǔn)確重建原始信號(hào)。但在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，我們可以通過(guò)采樣來(lái)減緩信號(hào)的頻率。”

混頻器與采樣 混頻器是將信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低頻率的經(jīng)典方法，以便更容易地進(jìn)行處理或測(cè)量。但混頻器只適用于窄帶信號(hào)，即非常接近正弦波的信號(hào)。這是因?yàn)榛祛l過(guò)程通常是基于信號(hào)的頻率成分來(lái)進(jìn)行操作的，而窄帶信號(hào)的頻率成分相對(duì)集中，更容易通過(guò)混頻實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)于那些頻譜分布較寬或者波形復(fù)雜的信號(hào)，混頻可能就無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。 而采樣可以減慢任何重復(fù)信號(hào)的速度，包括方波和窄脈沖。即以略低于信號(hào)重復(fù)頻率的頻率來(lái)測(cè)量電壓，并且在下一次測(cè)量之前保持這個(gè)電壓值。由于每次采樣都是在波形的稍后一點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行的，所以這些采樣點(diǎn)連起來(lái)就呈現(xiàn)出一種相對(duì)于原始信號(hào)“拖后”的效果，從而使得整個(gè)信號(hào)看起來(lái)像是被放慢了速度。重復(fù)頻率（即采樣后信號(hào)的頻率）等于原始信號(hào)頻率和采樣頻率之差，并且為了準(zhǔn)確地復(fù)制波形，這個(gè)重復(fù)頻率應(yīng)該比采樣頻率低很多倍。

藍(lán)色：原始波形。紅色：采樣。綠色：重建波形。

二極管采樣電路

最古老的采樣電路使用二極管作為開(kāi)關(guān)。肖特基二極管可以作為非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)，其中大多數(shù)能夠在 GHz 范圍內(nèi)工作。

大多數(shù)情況下，二極管處于反向偏置狀態(tài)，阻斷信號(hào)。當(dāng)采樣脈沖到來(lái)時(shí)，它會(huì)短暫地使二極管正向偏置，將電容充電至輸入信號(hào)電壓加上/減去閾值電壓。這兩個(gè)電壓通過(guò)電阻分壓器相加，得到最終電壓。

對(duì)稱配置有助于解決 kick-out 問(wèn)題。Kick - out 是指采樣信號(hào)從采樣器的輸出端泄露回輸入端的情況。這種對(duì)稱配置的采樣電路只有在使用對(duì)稱的采樣脈沖時(shí)才有效。為了進(jìn)一步改善kick - out現(xiàn)象，在采樣脈沖輸入端使用一個(gè)共模扼流圈可以起到顯著的效果。

更復(fù)雜的采樣電路

這是一個(gè)更復(fù)雜的采樣器，它給電容充電到采樣電壓，將采樣脈沖與輸出以及輸入都隔離開(kāi)了。可以使用MOSFET晶體管，MOSFET有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是不需要短暫的采樣脈沖：

當(dāng) SAMPLE 信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖郊?HOLD 信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，進(jìn)行采樣

這種配置的存在的一個(gè)問(wèn)題是，那就是輸出信號(hào)的幅度變化范圍只能達(dá)到輸入信號(hào)幅度變化范圍的50%。例如，如果輸入信號(hào)的電壓在0V到10V之間變化，那么在這種電路配置下，輸出信號(hào)的電壓變化范圍可能只能在0V到5V之間。但這對(duì)測(cè)量周期性信號(hào)來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題。

小型、低柵極電容的 MOSFET 很難找到，但模擬開(kāi)關(guān) IC 很容易找到，大多數(shù)有內(nèi)置反相器。模擬開(kāi)關(guān)IC可以使用互補(bǔ)型的PMOS和NMOS晶體管對(duì)，相互配合，共同完成開(kāi)關(guān)等功能。從而最大限度地減少采樣器 kick-out 現(xiàn)象

除了減慢信號(hào)速度外，采樣器常用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，以避免在轉(zhuǎn)換過(guò)程中電壓發(fā)生變化。而且，對(duì)于這種情況，將樣本與上一個(gè)樣本進(jìn)行平均是一個(gè)問(wèn)題。解決方法是增加一個(gè)晶體管，對(duì)輸出電容（以及中間電容）放電，以避免 kick-out 現(xiàn)象。這種解決方案即使在只有一個(gè)采樣階段的情況下也是很有幫助的。因?yàn)橛袝r(shí)候輸入信號(hào)可能比較弱，一個(gè)短脈沖可能不足以使電容完全充電。而通過(guò)增加晶體管來(lái)放電電容，可以確保電容能夠正確地充電和放電，從而提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

原文轉(zhuǎn)載自：

https://maurycyz.com/misc/magic-sampling/

審核編輯 黃宇