Додавання фільтра для згладжування до підсилювача перед АЦП

Я проектую схему, яка призначена для зйомки звукових зразків з декількох каналів для локалізації джерела звуку.

Кожен канал має наступні двоступінчасті підсилювачі, перш ніж перейти в 13-бітний АЦП:

Я хотів би мати можливість локалізувати джерела звуку до приблизно 10 кГц, але чим більша смуга пропускання, тим краще (я думаю, що конденсаторні мікрофони можуть обробляти приблизно 16 кГц, не на 100% впевнені)

Чим швидше я пробую вибірку, тим краще просторове дозвіл я можу отримати. Я в змозі видавити частоту вибірки близько 75 кГц.

Запитання: Чи потрібно хвилюватися про фільтри, що згладжують, перед АЦП? Як я розумію, згладжування відбувається лише тоді, коли ви працюєте нижче межі Найквіста, тому теоретична максимальна частотна складова 75 КГц / 2 була б моєю межею, що набагато вище, ніж мені потрібно.

Якщо мені не потрібні фільтри для згладжування, чи є ще щось, що я повинен робити для видалення небажаного шуму на виході? Коли я дивлюся на область, здається, це все в порядку, але це лише з 1-го каналу, я переживаю, коли додаю всі п'ять каналів на одній платі, що вони будуть заважати один одному.

Перед оцифровуванням сигналу завжди корисно використовувати фільтр проти згладжування. Хоча ваш цільовий сигнал не містить частотних компонентів, що перевищують частоту Найквіста, можливі й інші джерела шуму.

Перш за все вам потрібно визначитися, яку пропускну здатність потрібно охопити. Якщо ваш АЦП зразки на 75 кГц, то не повинно бути жодних частот вище 37,5 кГц. Далі ми обчислюємо необхідне ослаблення та порядок фільтра для згладжування. Для цього врахуйте наступний малюнок:

На цьому малюнку представлені два випадки: один зі швидкістю вибірки fs і один із K * fs . Через вибірку вхідного сигналу (цифрове змішування) всі частотні компоненти вище fs / 2 будуть "складені" назад. Частотні компоненти, що перевищують fs-fa , потім будуть передані в сигнал, що цікавить (червоний).
На малюнку (A) ми припускаємо, що ви хочете взяти вибірку сигналу з пропускною здатністю ( fa ), близькою до швидкості Найквіста ( fs / 2 ). Для забезпечення певного динамічного діапазону (ДР) нам потрібен крутий відкат, наприклад, високий коефіцієнт фільтра, який послаблює будь-який шум із частотами, що перевищують fs-fa . На малюнку (B) ми використовуємо більш високу частоту вибірки ( K * fs), що розслаблює необхідний порядок фільтра і спрощує конструкцію схеми.

Як ви вже згадували, ваш АЦП має роздільну здатність 13 дБ. Ваш ідеальний SNR (коефіцієнт сигналу до шуму) або в цьому випадку ваш DR:

Отже, в ідеальному випадку ви хочете ослаблення принаймні 80 дБ при fs-fa . Основний низькочастотний фільтр першого порядку має загасання 20 дБ / дек. Якщо ви обмежите пропускну здатність сигналу, наприклад, 20 кГц, ідеальна частота дискретизації лежить на рівні 200 МГц.

Щоб задовольнити це обмеження частотою дискретизації 75 кГц, вам знадобиться фільтр низького проходу 8-го порядку. Це, звичайно, багато, але всі ці розрахунки передбачають шум, рівний за амплітудою, як ваш сигнал, що цікавить. На практиці фільтр другого чи третього порядку, швидше за все, достатній.

Додаткову інформацію див .: W. Kester, Довідник з перетворення даних: Аналогові пристрої. Амстердам ua: Elsevier Newnes, 2005.

Чи потрібно мені турбуватися про фільтри проти згладжування перед АЦП

Якщо ваш АЦП не має вбудованого фільтра проти згладжування, тоді так, вам слід подбати про це, навіть якщо вас цікавлять лише частоти, що перевищують ліміт nyqist.

Причина полягає в тому, що частоти, що перевищують граничну величину найквіста (дзеркала), повертаються у ваш частотний діапазон, який цікавить. Наприклад, якщо ви займаєте вибірку на частоті 20 кГц, а ваш конденсаторний мікрофон піднімає звук на 15 кГц, у ваших вибіркових даних ви знайдете сильний сигнал 5 кГц.

Оскільки ви вже використовуєте opamps, ви можете легко додати дешевий фільтр низьких частот до існуючої схеми. Для цього просто поставте конденсатор паралельно R6 і R7. Вони будуть діяти як низька стійкість до високих частот і знижувати загальний коефіцієнт посилення, залишаючи при цьому низькі частоти без змін. Це вже допоможе трохи послабити високочастотні компоненти та знизити згладжування.

Якщо ви хочете покращити ефективність роботи, перегляньте фільтр низькопрохідних клавіш. Фільтр третього порядку може бути побудований навколо одного підсилювача.

Що стосується вашої схеми взагалі: Якщо ви живите підсилювачі TL64 від вашого єдиного джерела живлення 5В, це не спрацює. Ви перевищуєте декілька параметрів із аркуша даних. Найбільш помітним є те, що у вас є лише половина мінімальної напруги живлення. Крім того, підсилювачі TL64 мають мінімальний гарантований діапазон вихідної напруги, який знаходиться на відстані 4 В від рейок, тож навіть при подачі 10 В ваш сигнал буде обмежений невеликою смугою 2 В.

Я пропоную вам вибрати операційний підсилювач для однієї операції з постачання, наприклад LM358 (TSH80 / TSH84 - це сучасне оновлення) або використовувати підсилювач залізничного транспорту.