Добавление сглаживающего фильтра в операционный усилитель перед АЦП

Хорошей практикой всегда является использование фильтра сглаживания перед оцифровкой сигнала. Хотя ваш целевой сигнал не содержит частотных составляющих выше скорости Найквиста, могут быть и другие источники шума, которые их содержат.

Прежде всего, вам нужно решить, какую полосу пропускания вы хотите покрыть. Если ваш АЦП производит выборку с частотой 75 кГц, то не должно быть частот выше 37,5 кГц. Затем мы вычисляем необходимое затухание и порядок вашего фильтра сглаживания. Для этого рассмотрим следующий рисунок:

На этом рисунке представлены два случая: один с частотой дискретизации fs и один с K*fs . Из-за дискретизации входного сигнала (цифрового микширования) все частотные компоненты выше fs/2 будут «свернуты» обратно. Компоненты частоты выше, чем fs-fa , затем будут наложены на интересующий сигнал (красный).
На рисунке (A) мы предполагаем, что вы хотите взять сигнал с полосой пропускания ( fa ), близкой к скорости Найквиста ( fs/2 ). Чтобы гарантировать определенный динамический диапазон (DR), нам нужен крутой спад, например, фильтр с высоким порядком, который ослабляет любой шум с частотами выше, чем fs-fa . На рисунке (B) мы используем более высокую частоту дискретизации ( K * fs), что ослабляет требуемый порядок фильтра и упрощает схемотехнику.

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

Итак, в идеальном случае вам нужно ослабление не менее 80 дБ на fs-fa . Базовый фильтр нижних частот первого порядка имеет затухание 20 дБ/дек. Если вы ограничите полосу пропускания вашего сигнала, скажем, 20 кГц, ваша идеальная частота дискретизации составит 200 МГц.

Чтобы удовлетворить этому ограничению с частотой дискретизации 75 кГц, вам понадобится фильтр нижних частот 8-го порядка. Это, конечно, много, но все эти расчеты предполагают шум, равный по амплитуде интересующему вас сигналу. На практике, скорее всего, достаточно фильтра второго или третьего порядка.

Дополнительную информацию см.: В. Кестер, Справочник по преобразованию данных: Аналоговые устройства. Амстердам, Украина: Elsevier Newnes, 2005.

Нужно ли мне беспокоиться о фильтрах сглаживания перед АЦП?

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

Причина в том, что частоты выше предела Найквиста сворачиваются (зеркально) обратно в интересующий вас частотный диапазон. Например, если вы сэмплируете на частоте 20 кГц, а ваш конденсаторный микрофон улавливает звук на частоте 15 кГц, вы обнаружите сильный сигнал 5 кГц в сэмплированных данных.

Поскольку вы уже используете операционные усилители, вы можете легко добавить в существующую схему дешевый фильтр нижних частот. Для этого просто подключите конденсатор параллельно R6 и R7. Они будут действовать как низкое сопротивление высоким частотам и снижать общий коэффициент усиления, оставляя незатронутыми низкие частоты. Это уже немного поможет ослабить высокочастотные составляющие и уменьшить алиасинг.

Если вам нужна лучшая производительность, проверьте фильтры нижних частот sallen-key. Фильтр третьего порядка может быть построен на одном операционном усилителе.

Что касается вашей схемы в целом: если вы питаете операционные усилители TL64 только от одного источника питания 5 В, это не сработает. Вы превышаете несколько параметров из спецификации. Наиболее примечательно 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 шины, поэтому даже при питании 10 В ваш сигнал будет ограничен небольшой полосой 2 В.

Я предлагаю вам выбрать операционный усилитель для работы с однополярным питанием, такой как LM358 (TSH80/TSH84 — современная модернизация), или использовать операционный усилитель «rail-to-rail».