Menambahkan filter anti-aliasing ke op-amp sebelum ADC

Saya merancang rangkaian yang dimaksudkan untuk mengambil sampel audio dari berbagai saluran untuk pelokalan sumber suara.

Setiap saluran memiliki sirkuit op-amp 2 tahap berikut, sebelum masuk ke 13bit ADC:

Saya ingin dapat melokalisasi sumber suara hingga sekitar 10KHz tetapi semakin besar bandwidth semakin baik (saya pikir mikrofon kondensor dapat menangani hingga sekitar 16KHz, tidak 100% yakin)

Semakin cepat saya mencicipi semakin baik resolusi spasial yang bisa saya dapatkan. Saya dapat memeras sample rate sekitar 75KHz.

Pertanyaan Apakah saya perlu khawatir tentang filter anti-aliasing sebelum ADC? Seperti yang saya pahami aliasing hanya terjadi ketika Anda beroperasi di bawah batas Nyquist, sehingga komponen frekuensi maksimum teoretis 75KHz / 2 akan menjadi batas saya, yang jauh lebih tinggi dari yang saya butuhkan.

Jika saya tidak memerlukan filter anti-aliasing, apakah ada hal lain yang harus saya lakukan untuk menghilangkan noise yang tidak diinginkan pada output? Ketika saya melihat lingkup tampaknya OK tapi ini hanya dengan 1 saluran dibangun, saya khawatir ketika saya menambahkan semua lima saluran pada papan yang sama bahwa mereka akan saling mengganggu.

— david berliner
sumber

Anda kehilangan beberapa titik dalam skema Anda. Satu kasus khusus membuatnya terlihat seperti satu-satunya tujuan untuk pasangan R2 / R4 adalah untuk menambahkan beban 25 uA pada pasokan + 5V.

— Michael Karas

Crosstalk antara saluran bukan "noise". Pemfilteran tidak akan menyingkirkannya.

— Scott Seidman

Saya telah memperbarui skematisnya. @ScottSeidman ada yang bisa saya lakukan untuk mencegah / menghilangkan crosstalk?

— david berliner

Seperti yang digambarkan, R3 dan R5 tidak ada gunanya. Anda melewatkan batas yang dimaksudkan antara output IC1A dan simpul antara R5 dan R3.

— Olin Lathrop

@OlinLathrop bercak yang bagus, saya telah menambahkannya sekarang.

— david berliner

Jawaban:

Itu selalu praktik yang baik untuk menggunakan filter anti-aliasing sebelum mendigitalkan sinyal. Meskipun sinyal target Anda tidak mengandung komponen frekuensi di atas tingkat Nyquist, mungkin ada sumber kebisingan lain yang melakukannya.

Pertama-tama Anda harus memutuskan bandwidth mana yang ingin Anda tutupi. Jika sampel ADC Anda pada 75kHz, maka seharusnya tidak ada frekuensi di atas 37.5kHz. Selanjutnya, kami menghitung pelemahan yang diperlukan dan urutan filter anti-aliasing Anda. Untuk ini pertimbangkan gambar berikut:

Gambar ini menyajikan dua kasus satu dengan laju sampling fs dan satu dengan K * fs . Karena pengambilan sampel sinyal input (pencampuran digital), semua komponen frekuensi yang lebih tinggi dari fs / 2 akan "dilipat" kembali. Komponen frekuensi yang lebih tinggi dari fs-fa kemudian akan dialihkan ke sinyal yang diinginkan (merah).
Dalam gambar (A), kami asumsikan Anda ingin mengambil sampel sinyal dengan bandwidth ( fa ) dekat dengan tingkat Nyquist ( fs / 2 ). Untuk menjamin rentang dinamis tertentu (DR) kita memerlukan roll-off curam misalnya filter oder tinggi yang mengurangi kebisingan dengan frekuensi lebih tinggi dari fs-fa . Dalam Gambar (B) kami menggunakan laju pengambilan sampel yang lebih tinggi ( K * fs) yang mengendurkan urutan filter yang diperlukan dan menyederhanakan desain rangkaian.

Seperti yang Anda sebutkan, ADC Anda memiliki resolusi 13dB. SNR ideal Anda (Signal to Noise Ratio) atau dalam hal ini DR Anda adalah:

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

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

Jadi, dalam kasus ideal Anda menginginkan pelemahan minimal 80dB di fs-fa . Filter low-pass urutan pertama dasar memiliki atenuasi 20dB / dec. Jika Anda membatasi bandwidth sinyal Anda untuk mengatakan 20kHz, frekuensi sampling ideal Anda berada di 200MHz.

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

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

Untuk memenuhi batasan ini dengan laju sampling 75kHz Anda, Anda akan memerlukan filter 8 pass rendah. Ini tentu saja banyak tetapi semua perhitungan ini menganggap noise sama dengan amplitudo sebagai sinyal minat Anda. Dalam praktiknya, filter urutan kedua atau ketiga kemungkinan besar cukup.

Untuk informasi tambahan, lihat: W. Kester, buku pegangan Konversi data: Perangkat analog. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

— Martin
sumber

Terima kasih Martin. Apakah Anda mungkin memiliki tautan ke tempat persamaan ini berasal sehingga saya dapat membaca sedikit lebih banyak dan memahaminya?

— david berliner

@david W. Kester, buku pegangan konversi data dari perangkat Analog adalah buku hebat tentang ADC secara umum. Angka ini dari bab 2 halaman 2.29. Saya menambahkan tautan di posting saya di atas.

— Martin

Untuk lebih jelasnya. Filter Anti Aliasing pada dasarnya hanyalah Filter Low Pass, ya?

— Luke

@ Lukas Benar. Frekuensi di bawah fs / 2 dapat lewat sementara hal lain harus dilemahkan sebanyak mungkin. Ada satu pengecualian. Jika sinyal interrest Anda memiliki bandwidth terbatas dengan semua frekuensi di atas nol (mis. Sinyal bandpass), maka Anda menggunakan undersampling dan karenanya memerlukan bandpass-anti-aliasing-filter. Lihat juga undersampling

— Martin

Apakah saya perlu khawatir tentang filter anti-aliasing sebelum ADC

Kecuali ADC Anda memiliki filter anti-aliasing bawaan, maka ya, Anda harus berhati-hati meskipun Anda hanya tertarik pada frekuensi di bawah batas nyqist.

Alasannya, frekuensi yang lebih tinggi dari lipatan batas nyquist (mirror) kembali ke rentang frekuensi yang Anda minati. Misalnya jika Anda mengambil sampel pada 20khz dan mikrofon kondensor Anda mengambil audio pada 15khz Anda akan menemukan sinyal 5khz yang kuat dalam data sampel Anda.

Karena Anda sudah menggunakan opamps, Anda dapat dengan mudah menambahkan beberapa filter low-pass murah ke sirkuit yang ada. Untuk melakukannya, cukup letakkan kapasitor secara paralel dengan R6 dan R7. Mereka akan bertindak sebagai resistansi rendah terhadap frekuensi tinggi dan menurunkan gain keseluruhan sambil membiarkan frekuensi rendah tidak terpengaruh. Ini sudah membantu sedikit untuk menipiskan komponen frekuensi tinggi dan menurunkan alias.

Jika Anda ingin kinerja yang lebih baik, periksa filter low-key sallen-key. Filter urutan ketiga dapat dibangun di sekitar opamp tunggal.

Mengenai sirkuit Anda secara umum: Jika Anda memberi daya pada opamps TL64 hanya dari suplai 5V tunggal Anda, itu tidak akan berfungsi. Anda melebihi beberapa parameter dari lembar data. Paling penting adalah, bahwa Anda hanya memiliki setengah dari tegangan suplai minimum. Selain itu, opamps TL64 memiliki kisaran tegangan output minimum yang dijamin yang berjarak 4V dari rel, sehingga walaupun dengan sinyal 10V sinyal Anda akan terbatas pada pita 2V kecil.

Saya sarankan Anda memilih opamp untuk operasi pasokan tunggal seperti LM358 (TSH80 / TSH84 adalah upgrade modern) atau menggunakan opamp rail-to-rail.

— Nils Pipenbrinck
sumber

Terima kasih atas umpan balik yang berharga. Saya pergi dan memeriksa datasheet untuk opamp ini dan Anda benar, namun rangkaian saya berfungsi !? Saya hanya memberikan + 5V dan 0V namun gelombang saya mulai memotong sekitar 3.5V dari puncak ke puncak. paling aneh. Saya tidak yakin apakah saya harus mengubahnya secara prinsip atau meninggalkannya karena itu berfungsi ...

— david berliner

Parameter dalam lembar data adalah nilai kasus terburuk. Opamp khas mungkin memiliki karakteristik yang lebih baik. Saya menggunakan opamp dari spec baik-baik saja jika itu untuk proyek pribadi atau prototipe.

— Nils Pipenbrinck