Несмотря на все преимущества цифровых фильтров, в некоторых случаях они не способны заменить аналоговые. В обзоре проведено сравнение этих двух типов фильтров.
Даже в системах с сильно передискретизованными сигналами до сих пор используются аналоговые фильтры защиты от наложения спектров на входе АЦП и фильтр восстановления на выходе ЦАП. Активная аналоговая фильтрация не возможна на очень высоких частотах из-за ограниченной полосы пропускания ОУ и искажений. Для фильтрации в этом случае используются только пассивные компоненты. Частотный диапазон применения цифровых фильтров уже, чем аналоговых. В таблице 1 приведены основные особенности цифровых и аналоговых фильтров.
Табл. 1. Сравнение цифровых и аналоговых фильтров
Цифровые фильтры |
Аналоговые фильтры |
|
|
Благодаря современным инструментам дискретизации и обработки сигнала можно заменить аналоговые фильтры на цифровые в приложениях, в которых требуется гибкость и программируемость. Это звуковое оборудование, телекоммуникационные системы, геофизическое оборудование, медицинские диагностические системы.
Преимущества цифровых фильтров перед аналоговыми:
1. Они настраиваются программным способом (легко интегрировать и тестировать).
2. Реализуются только с помощью простых арифметических операций (сложение, вычитание, умножение).
3. Характеристики не зависят от температуры и влажности. Не используются прецизионные элементы.
4. Более выгодное соотношение характеристики-стоимость.
5. Лишены проблем, связанных с производственным отклонением характеристик или старением компонентов.
Гладкость АЧХ
Цифровой фильтр обычно имеет более крутой спад АЧХ и обеспечивает более сильное затухание в полосе задерживания.
Перерегулирование
По искажению сигнала из-за перерегулирования аналоговые и цифровые фильтры сравнимы. Как правило, аналоговые фильтры искажают начало и конец импульса неодинаково, а цифровые – одинаково, но суммарное пиковое напряжение различается незначительно.
Преимущества аналоговых фильтров
В некоторых случаях, однако, необходимо использовать именно аналоговые фильтры. Одним из наиболее очевидных примеров является фильтр защиты от наложения спектров на входе АЦП. Дело в том, что аналоговые схемы имеют более высокое быстродействие — персональный компьютер выполняет фильтрацию данных со скоростью примерно 10 000 выборок/с при использовании БПФ. Даже простые ОУ работают на частотах 100 кГц — 1 МГц, т.е. в 10-100 раз быстрее.
Фильтры на коммутируемых конденсаторах
Это современная архитектура, в которой используется и цифровые, и аналоговые функции. В результате получается компактное решение с возможностью настройки параметров.
В схемах VLSI используются МОП-транзисторы и МОП-конденсаторы с емкостью несколько пФ (КМОП технология дает дополнительное преимущество – снижение потребления ИС). Из-за невысокой точности резисторов и конденсаторов их применение в звуковых и инструментальных приложениях ограничено. Вместо них используют МОП-ключи и МОП-конденсаторы (см. рис. 1).
Рис. 1. Базовая схема фильтра на коммутируемых конденсаторах
Фильтры на коммутируемых конденсаторах можно настраивать путем изменения частоты следования тактовых импульсов. Схема имеет компактный размер за счет использования миниатюрных многофункциональных ИС.
Высокоомные резисторы могут быть выполнены на малой площади в кремнии. Так, резистор 1 МОм имитируют путем переключения конденсатора 10 пФ с частотой 100 кГц.
Биквадратный фильтр
Фильтры данного типа, как правило, состоят из двух инвертирующих интеграторов (один вносит искажения, второй – практически нет) и инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления. Всего три ОУ. С помощью коммутируемых конденсаторов можно сократить количество усилителей до 2.
Схема приведена на рисунке 2. По сравнению с традиционной схемой у биквадратного фильтра на коммутируемых конденсаторах лучше соотношение емкостей.
Рис. 2. Биквадратный фильтр на коммутируемых конденсаторах
Чтобы понять, где находится граница между фильтрацией аналоговыми и цифровыми схемами, обратимся к рисунку 3.
Аналоговые фильтры имеют низкое отношение сигнал-шум, цифровые — высокое. На рисунке 4 наглядно показано, за счет чего это достигается.
Рис. 3. Разделение цифровых и аналоговых способов фильтрации
Рис. 4. Аналоговые и цифровые фильтры: потребляемая мощность и размер схемы