Dodanie filtra antyaliasingu do wzmacniacza operacyjnego przed ADC

Projektuję obwód, który ma przechwytywać próbki audio z wielu kanałów w celu lokalizacji źródła dźwięku.

Każdy kanał ma następujący 2-stopniowy obwód wzmacniacza operacyjnego, zanim przejdzie do 13-bitowego ADC:

Chciałbym być w stanie zlokalizować źródła dźwięku do około 10 kHz, ale im większa szerokość pasma, tym lepiej (myślę, że mikrofony pojemnościowe mogą obsłużyć do około 16 kHz, nie jestem w 100% pewien)

Im szybciej próbkuję, tym lepszą rozdzielczość przestrzenną mogę uzyskać. Jestem w stanie wycisnąć częstotliwość próbkowania około 75 kHz.

Pytanie Czy muszę się martwić o filtry antyaliasingowe przed ADC? Jak rozumiem, aliasing występuje tylko wtedy, gdy pracujesz poniżej limitu Nyquista, więc teoretyczna składowa maksymalnej częstotliwości 75 KHz / 2 byłaby moim limitem, który jest znacznie wyższy niż potrzebuję.

Jeśli nie potrzebuję żadnych filtrów antyaliasingowych, czy jest coś, co powinienem zrobić, aby usunąć niepożądane szumy na wyjściu? Kiedy patrzę na lunetę, wydaje się, że jest OK, ale dzieje się tak tylko z 1 kanałem. Martwię się, gdy dodam wszystkie pięć kanałów na tej samej płytce, że będą sobie przeszkadzać.

— David Berliner
źródło

Brakuje kilku kropek na schemacie. Jeden szczególny przypadek sprawia, że wydaje się, że jedynym celem pary R2 / R4 jest dodanie obciążenia 25 uA do zasilania + 5 V.

— Michael Karas,

Przesłuch między kanałami nie jest „szumem”. Filtrowanie się go nie pozbędzie.

— Scott Seidman,

Zaktualizowałem schemat. @ScottSeidman jest coś, co mogę zrobić, aby zapobiec / wyeliminować przesłuch?

— David Berliner,

Jak narysowano, R3 i R5 są bezcelowe. Brakuje ograniczenia, które powinno znajdować się między wyjściem IC1A a węzłem między R5 i R3.

— Olin Lathrop,

Dobry spotting @OlinLathrop, dodałem to teraz.

— David Berliner

Odpowiedzi:

Zawsze dobrą praktyką jest stosowanie filtra antyaliasingowego przed digitalizacją sygnału. Chociaż twój sygnał docelowy nie zawiera składników częstotliwości powyżej częstotliwości Nyquista, mogą istnieć inne źródła hałasu, które to robią.

Przede wszystkim musisz zdecydować, które pasmo chcesz pokryć. Jeśli twój ADC próbkuje przy 75 kHz, to nie powinno być żadnych częstotliwości powyżej 37,5 kHz. Następnie obliczamy potrzebne tłumienie i kolejność filtra antyaliasingu. W tym celu rozważ następujący rysunek:

Ta rycina przedstawia dwa przypadki, jeden z częstotliwością próbkowania fs, a drugi z K * fs . Z powodu próbkowania sygnału wejściowego (miksowanie cyfrowe) wszystkie składowe częstotliwości wyższe niż fs / 2 zostaną „zagięte” do tyłu. Składniki częstotliwości wyższe niż fs-fa zostaną wówczas aliasowane do sygnału zainteresowania (czerwony).
Na rysunku (A) zakładamy, że chcesz próbkować sygnał o szerokości pasma ( fa ) zbliżonej do częstotliwości Nyquista ( fs / 2 ). Aby zagwarantować określony zakres dynamiki (DR), potrzebujemy gwałtownego zejścia, np. Wysokiego filtru, który tłumi wszelkie szumy o częstotliwościach wyższych niż fs-fa . Na rysunku (B) używamy wyższej częstotliwości próbkowania ( K * fs), co zmniejsza wymaganą kolejność filtrów i upraszcza projektowanie obwodów.

Jak wspomniałeś, twój ADC ma rozdzielczość 13dB. Twój idealny współczynnik SNR (stosunek sygnału do szumu) lub w tym przypadku DR to:

S N R = N \cdot 6.02 + 1.76 [d B] = 80 d B

$SNR=N \cdot 6.02 + 1.76[dB] = 80dB$

Tak więc, w idealnym przypadku, chcesz uzyskać tłumienie co najmniej 80dB na fs-fa . Podstawowy filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu ma tłumienie 20dB / dec. Jeśli ograniczysz szerokość pasma sygnału do powiedzenia 20 kHz, idealna częstotliwość próbkowania wynosi wtedy 200 MHz.

f_{- 80 d B} = f_{a} \cdot 10^{\frac{80 d B}{20 d B}} = 200 M H z

$f_{-80dB} = f_a \cdot 10^{\frac{80dB}{20dB}} = 200MHz$

Aby spełnić to ograniczenie przy częstotliwości próbkowania 75 kHz, potrzebny byłby filtr dolnoprzepustowy 8. rzędu. To z pewnością dużo, ale wszystkie te obliczenia zakładają szum równy amplitudzie jako sygnał zainteresowania. W praktyce filtr drugiego lub trzeciego rzędu jest najprawdopodobniej wystarczający.

Więcej informacji: W. Kester, Podręcznik konwersji danych: Urządzenia analogowe. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

— Jaskółka oknówka
źródło

Dzięki Martin. Czy może masz jakiś związek z tym, skąd pochodzą te równania, abym mógł przeczytać więcej i zrozumieć je?

— David Berliner

@ David W. Kester, Podręcznik konwersji danych z urządzeń analogowych to ogólnie świetna książka o ADC. Rysunek pochodzi z rozdziału 2, strona 2.29. Dodałem link w moim poście powyżej.

— Martin

Żeby było jasne. Filtr antyaliasingu jest zasadniczo tylko filtrem dolnoprzepustowym, tak?

— Łukasz

@luke Correct. Częstotliwości poniżej fs / 2 mogą minąć, podczas gdy wszystko inne powinno być maksymalnie osłabione. Jest jeden wyjątek. Jeśli twój sygnał interwału ma ograniczone pasmo ze wszystkimi częstotliwościami powyżej zera (np. Sygnał pasmowoprzepustowy), wówczas używasz podpróbkowania i dlatego potrzebujesz filtra pasmowo-anty-aliasingowego. Zobacz także undersampling

— Martin

Czy muszę się martwić o filtry antyaliasingowe przed ADC

O ile twój ADC nie ma wbudowanego filtra antyaliasingu, to tak, powinieneś się tym zająć, nawet jeśli interesują Cię tylko częstotliwości poniżej limitu NYQIST.

Powodem jest to, że częstotliwości wyższe niż limit kwantyfikatora (odbicie lustrzane) wracają do twojego zakresu częstotliwości. Na przykład, jeśli próbkujesz przy 20 kHz, a mikrofon pojemnościowy odbiera dźwięk przy 15 kHz, w próbkowanych danych znajdziesz silny sygnał 5 kHz.

Ponieważ już używasz opamps, możesz łatwo dodać tani filtr dolnoprzepustowy do istniejącego obwodu. Aby to zrobić, wystarczy umieścić kondensator równolegle do R6 i R7. Będą działać jak niska odporność na wysokie częstotliwości i obniżą ogólny zysk, pozostawiając nienaruszone niskie częstotliwości. Pomoże to już nieco osłabić składowe wysokiej częstotliwości i obniżyć aliasing.

Jeśli chcesz uzyskać lepszą wydajność, sprawdź filtry dolnoprzepustowe Sallen-Key. Filtr trzeciego rzędu można zbudować wokół jednego opampa.

Jeśli chodzi o obwód w ogólności: Jeśli zasilasz wzmacniacze TL64 tylko z jednego źródła zasilania 5 V, to nie będzie działać. Przekroczono kilka parametrów z arkusza danych. Najbardziej godne uwagi jest to, że masz tylko połowę minimalnego napięcia zasilania. Ponadto opampy TL64 mają minimalny gwarantowany zakres napięcia wyjściowego, który jest oddalony o 4 V od szyn, więc nawet przy suppii 10 V twój sygnał byłby ograniczony do małego pasma 2 V.

Sugeruję, abyś wybrał opamp do pracy z pojedynczym zasilaniem, taki jak LM358 (TSH80 / TSH84 jest nowoczesnym ulepszeniem) lub używał opamp typu rail-to-rail.

— Nils Pipenbrinck
źródło

Dziękujemy za cenne opinie. Poszedłem i sprawdziłem arkusz danych dla tego opampa i masz rację, jednak mój obwód działa !? Daję mu tylko + 5 V i 0 V, a jednak moja fala zaczyna się przycinać przy około 3,5 V między szczytami. najbardziej dziwaczny. Nie jestem pewien, czy powinienem to zasadniczo zmienić, czy zostawić, ponieważ działa ...

— David Berlin

Parametry w karcie danych są wartościami najgorszego przypadku. Typowy opamp może mieć lepsze cechy. Imho używa opampa poza specyfikacją jest w porządku, jeśli jest to do osobistego projektu lub prototypu.

— Nils Pipenbrinck,