通过采样减缓信号的频率

“大家肯定都知道奈奎斯特采样定理，即采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，否则会导致混叠现象（aliasing），即高频信号被错误地解释为低频信号，从而无法准确重建原始信号。但在某些应用场景中，我们可以通过采样来减缓信号的频率。”

混频器与采样 混频器是将信号转换为较低频率的经典方法，以便更容易地进行处理或测量。但混频器只适用于窄带信号，即非常接近正弦波的信号。这是因为混频过程通常是基于信号的频率成分来进行操作的，而窄带信号的频率成分相对集中，更容易通过混频实现频率转换，对于那些频谱分布较宽或者波形复杂的信号，混频可能就无法达到预期的效果。 而采样可以减慢任何重复信号的速度，包括方波和窄脉冲。即以略低于信号重复频率的频率来测量电压，并且在下一次测量之前保持这个电压值。由于每次采样都是在波形的稍后一点时间进行的，所以这些采样点连起来就呈现出一种相对于原始信号“拖后”的效果，从而使得整个信号看起来像是被放慢了速度。重复频率（即采样后信号的频率）等于原始信号频率和采样频率之差，并且为了准确地复制波形，这个重复频率应该比采样频率低很多倍。

蓝色：原始波形。红色：采样。绿色：重建波形。

二极管采样电路

最古老的采样电路使用二极管作为开关。肖特基二极管可以作为非常快速的开关，其中大多数能够在 GHz 范围内工作。

大多数情况下，二极管处于反向偏置状态，阻断信号。当采样脉冲到来时，它会短暂地使二极管正向偏置，将电容充电至输入信号电压加上/减去阈值电压。这两个电压通过电阻分压器相加，得到最终电压。

对称配置有助于解决 kick-out 问题。Kick - out 是指采样信号从采样器的输出端泄露回输入端的情况。这种对称配置的采样电路只有在使用对称的采样脉冲时才有效。为了进一步改善kick - out现象，在采样脉冲输入端使用一个共模扼流圈可以起到显著的效果。

更复杂的采样电路

这是一个更复杂的采样器，它给电容充电到采样电压，将采样脉冲与输出以及输入都隔离开了。可以使用MOSFET晶体管，MOSFET有一个优点，那就是不需要短暂的采样脉冲：

当 SAMPLE 信号从高电平变为低电平及 HOLD 信号从低电平变为高电平时，进行采样

这种配置的存在的一个问题是，那就是输出信号的幅度变化范围只能达到输入信号幅度变化范围的50%。例如，如果输入信号的电压在0V到10V之间变化，那么在这种电路配置下，输出信号的电压变化范围可能只能在0V到5V之间。但这对测量周期性信号来说不是问题。

小型、低栅极电容的 MOSFET 很难找到，但模拟开关 IC 很容易找到，大多数有内置反相器。模拟开关IC可以使用互补型的PMOS和NMOS晶体管对，相互配合，共同完成开关等功能。从而最大限度地减少采样器 kick-out 现象

除了减慢信号速度外，采样器常用于模数转换器（ADC）中，以避免在转换过程中电压发生变化。而且，对于这种情况，将样本与上一个样本进行平均是一个问题。解决方法是增加一个晶体管，对输出电容（以及中间电容）放电，以避免 kick-out 现象。这种解决方案即使在只有一个采样阶段的情况下也是很有帮助的。因为有时候输入信号可能比较弱，一个短脉冲可能不足以使电容完全充电。而通过增加晶体管来放电电容，可以确保电容能够正确地充电和放电，从而提高模数转换的准确性。

原文转载自：

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

审核编辑 黄宇