Антиалиасный фильтр.
При просмотре телевизора, думаю, каждый хоть раз видел как у быстро едущей машины медленно вращаются колеса или вообще вращаются в другую сторону. В детстве меня этот вопрос очень интересовал, но ответ на него был найден гораздо позже, а именно когда начал разбираться как работает АЦП.
Для начала предлагаю разобраться, что общего между работой АЦП и вращающимся колесом на экране телевизора.
При просмотре телевизора мы видим динамическую картину, но еще с детства мне было известно, что динамика получается за счет смены кадров, которых в одной секунде 24.
АЦП же оцифровывает непрерывный сигнал в определенные моменты времени. Таким образом, становится понятно, что общее свойство для них —
это дискретность. Что на экране телевизора кадры сменяют друг друга, что у АЦП выборки идут одна за другой, то есть эти процессы не являются непрерывными!!!
Теперь, что касается вращения колес, давайте рассмотрим два соседних кадра.
При первичном просмотре, ни каких вопросов не возникает и вроде все правильно, НО из состояния один в состояние два, колесо может попасть, сделав 1.25 оборота, 2.25 оборота, 3.25 оборота и тд. Это как раз тот случай когда у быстро едущей машины медленно вращаются колеса, иллюзия возникает из-за того, что мы видим лишь состояние колеса на кадрах, но не видим, что приходило между ними.
Тут возникает другой интересный вопрос, почему мы решаем, что колеса вращаются медленно, может они так и должны вращаться?
И тут на помощь нам приходит реальный опыт наблюдения за машинами на улице, основываясь на нем, мы понимаем, что колеса действительно вращаются медленно.
Тоже самое происходит и при работе АЦП, так как выборки дискретны, мы не видим реальный сигнал и тут ситуация аналогична той, что описывал выше про колесо, "быстрый" сигнал, будет выглядеть как "медленный", на экране осциллографа. На картинке ниже красным нарисован реальный сигнал, а синим сигнал который отображается на экране осциллографа.
Но так как осциллограф — это измерительный прибор, с этим эффектом, в данном случае, надо бороться и делают это с помощью антиалисного фильтра, который обрезает все частоты выше частоты Найквиста и зачастую представляет собой обычную RC-цепочку,. Для тех кто не знает алиасинг — это эффект приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации, или другими словами к наложению спектров.
Но вся эта статья не была бы написана если бы не схема ниже, с которой столкнулся на днях.
В данном случае, для уменьшения шумов, используется дифференциальный вход, но меня заинтересовало назначение конденсатора отмеченного стрелочкой. Для чего он нужен?
Если на оба входа АЦП подать одинаковые напряжения, то теоретически АЦП должен выдать ноль, но на практике, из-за отклонения номиналов элементов фильтра, результат АЦП будет отклоняться от ожидаемого. Для того, чтобы ослабить этот эффект, и устанавливается конденсатор связывающий два входа.
P.S. после выхода статьи один из посетителей сайта задал вопрос, почему АЦП в его схеме выдает не правильный результат в середине диапазона и скинул схему антиалисового фильтра.
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо знать, что вход АЦП представляет собой по сути конденсатор и важно чтобы он имел возможность быстро заряжаться и разряжаться. В данном случае, если частота среза фильтра рассчитана правильно, необходимо на порядок уменьшить значение резистора, чтобы заряд конденсатора АЦП мог быстро изменяться и соответственно увеличить емкость конденсатора, чтобы частота среза фильтра осталась та же.
Для начала предлагаю разобраться, что общего между работой АЦП и вращающимся колесом на экране телевизора.
При просмотре телевизора мы видим динамическую картину, но еще с детства мне было известно, что динамика получается за счет смены кадров, которых в одной секунде 24.
АЦП же оцифровывает непрерывный сигнал в определенные моменты времени. Таким образом, становится понятно, что общее свойство для них —
это дискретность. Что на экране телевизора кадры сменяют друг друга, что у АЦП выборки идут одна за другой, то есть эти процессы не являются непрерывными!!!
Теперь, что касается вращения колес, давайте рассмотрим два соседних кадра.
При первичном просмотре, ни каких вопросов не возникает и вроде все правильно, НО из состояния один в состояние два, колесо может попасть, сделав 1.25 оборота, 2.25 оборота, 3.25 оборота и тд. Это как раз тот случай когда у быстро едущей машины медленно вращаются колеса, иллюзия возникает из-за того, что мы видим лишь состояние колеса на кадрах, но не видим, что приходило между ними.
Тут возникает другой интересный вопрос, почему мы решаем, что колеса вращаются медленно, может они так и должны вращаться?
И тут на помощь нам приходит реальный опыт наблюдения за машинами на улице, основываясь на нем, мы понимаем, что колеса действительно вращаются медленно.
Тоже самое происходит и при работе АЦП, так как выборки дискретны, мы не видим реальный сигнал и тут ситуация аналогична той, что описывал выше про колесо, "быстрый" сигнал, будет выглядеть как "медленный", на экране осциллографа. На картинке ниже красным нарисован реальный сигнал, а синим сигнал который отображается на экране осциллографа.
Но так как осциллограф — это измерительный прибор, с этим эффектом, в данном случае, надо бороться и делают это с помощью антиалисного фильтра, который обрезает все частоты выше частоты Найквиста и зачастую представляет собой обычную RC-цепочку,. Для тех кто не знает алиасинг — это эффект приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации, или другими словами к наложению спектров.
Но вся эта статья не была бы написана если бы не схема ниже, с которой столкнулся на днях.
В данном случае, для уменьшения шумов, используется дифференциальный вход, но меня заинтересовало назначение конденсатора отмеченного стрелочкой. Для чего он нужен?
Если на оба входа АЦП подать одинаковые напряжения, то теоретически АЦП должен выдать ноль, но на практике, из-за отклонения номиналов элементов фильтра, результат АЦП будет отклоняться от ожидаемого. Для того, чтобы ослабить этот эффект, и устанавливается конденсатор связывающий два входа.
P.S. после выхода статьи один из посетителей сайта задал вопрос, почему АЦП в его схеме выдает не правильный результат в середине диапазона и скинул схему антиалисового фильтра.
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо знать, что вход АЦП представляет собой по сути конденсатор и важно чтобы он имел возможность быстро заряжаться и разряжаться. В данном случае, если частота среза фильтра рассчитана правильно, необходимо на порядок уменьшить значение резистора, чтобы заряд конденсатора АЦП мог быстро изменяться и соответственно увеличить емкость конденсатора, чтобы частота среза фильтра осталась та же.
Похожие статьи
