Добавление фильтра сглаживания в операционный усилитель перед АЦП

Я разрабатываю схему, которая предназначена для захвата аудиосэмплов из нескольких каналов для локализации источника звука.

Каждый канал имеет следующую двухступенчатую схему операционного усилителя, прежде чем перейти на 13-битный АЦП:

Я хотел бы иметь возможность локализовать источники звука примерно до 10 кГц, но чем больше полоса пропускания, тем лучше (я думаю, что конденсаторные микрофоны могут обрабатывать до 16 кГц, не уверен на 100%)

Чем быстрее я пробую, тем лучше пространственное разрешение, которое я могу получить. Я могу сжать частоту дискретизации около 75 кГц.

Вопрос Нужно ли беспокоиться о фильтрах сглаживания перед АЦП? Насколько я понимаю, псевдонимы возникают только тогда, когда вы работаете ниже предела Найквиста, поэтому мой предел максимальной теоретической частоты 75 кГц / 2 будет моим пределом, который намного выше, чем мне нужно.

Если мне не нужны какие-либо фильтры сглаживания, есть ли что-то еще, что я должен сделать, чтобы удалить нежелательный шум на выходе? Когда я смотрю на область, кажется, что все в порядке, но это только с 1 встроенным каналом, я волнуюсь, когда добавляю все пять каналов на одной плате, чтобы они мешали друг другу.

Рекомендуется использовать фильтр сглаживания перед оцифровкой сигнала. Хотя ваш целевой сигнал не содержит частотных компонентов выше частоты Найквиста, могут существовать и другие источники шума.

Прежде всего вам необходимо решить, какую полосу пропускания вы хотите охватить. Если ваш АЦП сэмплирует на частоте 75 кГц, то не должно быть частот выше 37,5 кГц. Далее мы рассчитаем необходимое затухание и порядок вашего фильтра сглаживания. Для этого рассмотрим следующий рисунок:

На этом рисунке представлены два случая: один с частотой дискретизации fs, а второй с K * fs . Из-за дискретизации входного сигнала (цифровое микширование) все частотные компоненты выше, чем fs / 2, будут «свернуты» обратно. Частотные компоненты выше, чем fs-fa, будут затем совмещены с интересующим сигналом (красный).
На рисунке (А) мы предполагаем, что вы хотите сэмплировать сигнал с полосой пропускания ( fa ), близкой к скорости Найквиста ( фс / 2) ). Чтобы гарантировать определенный динамический диапазон (DR), нам нужен крутой спад, например, фильтр с высоким фильтром, который ослабляет любой шум с частотами выше, чем fs-fa . На рисунке (B) мы используем более высокую частоту дискретизации ( K * fs), который ослабляет требуемый порядок фильтра и упрощает конструкцию схемы.

Как вы упомянули, ваш АЦП имеет разрешение 13 дБ. Ваш идеальный SNR (отношение сигнал / шум) или в этом случае ваш DR равен:

Таким образом, в идеальном случае вы хотите ослабление не менее 80 дБ при fs-fa . Основной фильтр нижних частот первого порядка имеет затухание 20 дБ / дек. Если вы ограничите полосу пропускания сигнала до 20 кГц, то ваша идеальная частота дискретизации будет равна 200 МГц.

Чтобы удовлетворить это ограничение при частоте дискретизации 75 кГц, вам понадобится фильтр нижних частот 8-го порядка. Это, конечно, много, но все эти расчеты предполагают, что шум, равный по амплитуде, является вашим сигналом интереса. На практике, скорее всего, достаточно фильтра второго или третьего порядка.

Для получения дополнительной информации см .: W. Kester, Справочник по преобразованию данных: Аналоговые устройства. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

Нужно ли беспокоиться о фильтрах сглаживания перед АЦП

Если ваш АЦП не имеет встроенного фильтра сглаживания, тогда да, вы должны позаботиться об этом, даже если вас интересуют только частоты ниже предела nyqist.

Причина в том, что частоты выше предела Найквиста сгибаются (отражаются) обратно в интересующий вас частотный диапазон. Например, если вы используете сэмплирование с частотой 20 кГц, а ваш конденсаторный микрофон улавливает звук с частотой 15 кГц, в ваших сэмплированных данных вы найдете сильный сигнал 5 кГц.

Поскольку вы уже используете операционные усилители, вы можете легко добавить дешевый фильтр нижних частот к существующей схеме. Для этого просто установите конденсатор параллельно R6 и R7. Они будут действовать как низкое сопротивление высоким частотам и уменьшать общее усиление, оставляя низкие частоты неизменными. Это уже поможет немного ослабить высокочастотные компоненты и снизить алиасинг.

Если вы хотите улучшить производительность, проверьте фильтры нижних частот sallen-key. Фильтр третьего порядка может быть построен вокруг одного операционного усилителя.

Что касается вашей схемы в целом: если вы питаете операционные усилители TL64 от одного источника питания 5 В, это не сработает. Вы превышаете несколько параметров из спецификации. Наиболее примечательным является то, что у вас есть только половина минимального напряжения питания. Кроме того, операционные усилители TL64 имеют минимальный гарантированный диапазон выходного напряжения, который составляет 4 В от рельсов, поэтому даже при напряжении 10 В ваш сигнал будет ограничен небольшой полосой 2 В.

Я предлагаю вам выбрать операционный усилитель для работы от одного источника питания, такой как LM358 (TSH80 / TSH84 - это современное обновление), или использовать операционный усилитель типа «железные дороги».