Hinzufügen eines Anti-Aliasing-Filters zum Operationsverstärker vor dem ADC

Ich entwerfe eine Schaltung, die Audio-Samples von mehreren Kanälen zur Lokalisierung von Schallquellen aufnehmen soll.

Jeder Kanal verfügt über die folgende 2-stufige Operationsverstärkerschaltung, bevor ein 13-Bit-ADC verwendet wird:

Ich möchte in der Lage sein, Schallquellen bis zu etwa 10 kHz zu lokalisieren, aber je größer die Bandbreite, desto besser (ich denke, die Kondensatormikrofone können bis zu etwa 16 kHz verarbeiten, nicht 100% sicher).

Je schneller ich abtaste, desto besser ist die räumliche Auflösung, die ich erhalten kann. Ich kann eine Abtastrate von ca. 75 kHz drücken.

Frage Muss ich mir vor dem ADC Gedanken über Anti-Aliasing-Filter machen? Soweit ich weiß, tritt Aliasing nur auf, wenn Sie unterhalb der Nyquist-Grenze arbeiten. Daher wäre eine theoretische maximale Frequenzkomponente von 75 kHz / 2 meine Grenze, die viel höher ist als ich benötige.

Wenn ich keine Anti-Aliasing-Filter benötige, sollte ich sonst noch etwas tun, um unerwünschte Störungen am Ausgang zu entfernen? Wenn ich mir ein Oszilloskop anschaue, scheint es in Ordnung zu sein, aber dies ist nur mit einem Kanal möglich. Ich mache mir Sorgen, wenn ich alle fünf Kanäle auf derselben Karte hinzufüge, dass sie sich gegenseitig stören.

Es wird immer empfohlen, vor dem Digitalisieren eines Signals einen Anti-Aliasing-Filter zu verwenden. Obwohl Ihr Zielsignal keine Frequenzkomponenten über der Nyquist-Rate enthält, gibt es möglicherweise andere Rauschquellen.

Zunächst müssen Sie entscheiden, welche Bandbreite Sie abdecken möchten. Wenn Ihr ADC mit 75 kHz abtastet, sollten keine Frequenzen über 37,5 kHz vorhanden sein. Als Nächstes berechnen wir die erforderliche Dämpfung und Reihenfolge Ihres Anti-Aliasing-Filters. Betrachten Sie dazu folgende Abbildung:

Diese Abbildung zeigt zwei Fälle, einen mit einer Abtastrate fs und einen mit K * fs . Aufgrund der Abtastung des Eingangssignals (digitales Mischen) werden alle Frequenzkomponenten, die höher als fs / 2 sind, "zurückgefaltet". Frequenzkomponenten, die höher als fs-fa sind, werden dann in das interessierende Signal (rot) verschoben.
In Abbildung (A) nehmen wir an, dass Sie ein Signal mit einer Bandbreite ( fa ) nahe der Nyquist-Rate ( fs / 2 ) abtasten möchten . Um einen bestimmten Dynamikbereich (DR) zu gewährleisten, benötigen wir einen steilen Abfall, z. B. einen hohen Filter oder, der jedes Rauschen mit Frequenzen über fs-fa dämpft . In Abbildung (B) verwenden wir eine höhere Abtastrate ( K * fs)), wodurch die erforderliche Reihenfolge des Filters gelockert und das Schaltungsdesign vereinfacht wird.

Wie Sie bereits erwähnt haben, hat Ihr ADC eine Auflösung von 13 dB. Ihr ideales SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) oder in diesem Fall Ihr DR ist dann:

Im Idealfall möchten Sie also eine Dämpfung von mindestens 80 dB bei fs-fa . Ein grundlegendes Tiefpassfilter erster Ordnung hat eine Dämpfung von 20 dB / Dez. Wenn Sie Ihre Signalbandbreite auf beispielsweise 20 kHz beschränken, liegt Ihre ideale Abtastfrequenz bei 200 MHz.

Um diese Einschränkung mit Ihrer Abtastrate von 75 kHz zu erfüllen, benötigen Sie einen Tiefpassfilter 8. Ordnung. Dies ist sicherlich eine Menge, aber alle diese Berechnungen gehen von einem Rauschen aus, dessen Amplitude Ihrem interessierenden Signal entspricht. In der Praxis ist ein Filter zweiter oder dritter Ordnung höchstwahrscheinlich ausreichend.

Weitere Informationen finden Sie unter: W. Kester, Handbuch zur Datenkonvertierung: Analoge Geräte. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

Muss ich mir vor dem ADC Gedanken über Anti-Aliasing-Filter machen?

Wenn Ihr ADC nicht über einen integrierten Anti-Aliasing-Filter verfügt, sollten Sie sich darum kümmern, auch wenn Sie nur an Frequenzen unterhalb der Nyqist-Grenze interessiert sind.

Der Grund dafür ist, dass Frequenzen, die höher als der Nyquist-Grenzwert sind, in Ihren interessierenden Frequenzbereich zurückfallen (spiegeln). Wenn Sie beispielsweise mit 20 kHz abtasten und Ihr Kondensatormikrofon Audio mit 15 kHz aufnimmt, finden Sie in Ihren abgetasteten Daten ein starkes 5-kHz-Signal.

Da Sie bereits Operationsverstärker verwenden, können Sie der vorhandenen Schaltung problemlos einen billigen Tiefpassfilter hinzufügen. Dazu einfach einen Kondensator parallel zu R6 und R7 stellen. Sie wirken als niedriger Widerstand gegen hohe Frequenzen und verringern die Gesamtverstärkung, während die niedrigen Frequenzen unberührt bleiben. Dies wird bereits ein wenig dazu beitragen, die Hochfrequenzkomponenten zu dämpfen und das Aliasing zu verringern.

Wenn Sie eine bessere Leistung wünschen, schauen Sie sich die Tiefpassfilter an. Ein Filter dritter Ordnung kann um einen einzelnen Operationsverstärker herum aufgebaut werden.

In Bezug auf Ihre Schaltung im Allgemeinen: Wenn Sie die TL64-Operationsverstärker nur mit 5 V versorgen, funktioniert dies nicht. Sie überschreiten mehrere Parameter aus dem Datenblatt. Am bemerkenswertesten ist, dass Sie nur die Hälfte der minimalen Versorgungsspannung haben. Außerdem haben die TL64-Operationsverstärker einen garantierten Mindestausgangsspannungsbereich, der 4 V von den Schienen entfernt ist. Selbst bei einer 10-V-Versorgung wäre Ihr Signal auf ein kleines 2-V-Band beschränkt.

Ich schlage vor, Sie wählen einen Opamp für den Einzelversorgungsbetrieb wie den LM358 (TSH80 / TSH84 ist ein modernes Upgrade) oder verwenden einen Rail-to-Rail-Opamp.