ADC'den önce op-amp'e kenar yumuşatma filtresi ekleme

Ses kaynağı yerelleştirmesi için birden fazla kanaldan ses örneklerini yakalamayı amaçlayan bir devre tasarlıyorum.

13bit ADC'ye girmeden önce her kanal aşağıdaki 2 aşamalı op-amp devresine sahiptir:

Ses kaynaklarını yaklaşık 10KHz'e kadar lokalize etmek istiyorum, ancak bant genişliği ne kadar büyük olursa o kadar iyi olur (Kondenser mikrofonları yaklaşık% 100 emin değilken yaklaşık 16KHz'e kadar işleyebilir)

Ne kadar hızlı örnek alırsam alacağım uzaysal çözünürlük o kadar iyi olur. Yaklaşık 75KHz'lik bir örnekleme hızını sıkıştırabiliyorum.

Soru ADC'den önce kenar yumuşatma filtreleri hakkında endişelenmem gerekiyor mu? Anladığım kadarıyla takma adlandırma yalnızca Nyquist sınırının altında çalıştığınızda gerçekleşir, bu nedenle 75KHz / 2'lik bir teorik maksimum frekans bileşeni, ihtiyacımdan çok daha yüksek olan sınırım olacaktır.

Kenar yumuşatma filtrelerine ihtiyacım yoksa çıkıştaki istenmeyen gürültüyü gidermek için yapmam gereken başka bir şey var mı? Bir kapsama baktığımda TAMAM gibi görünüyor, ancak bu sadece 1 kanal inşa edildiğinde, beş tahtayı da birbirleriyle karışacakları aynı tahtaya eklediğimde endişeliyim.

— david berliner
kaynak

Şemanızda bazı noktalar eksik. Özel bir durum, R2 / R4 çiftinin tek amacı + 5V beslemesine 25 uA yük eklemektir.

— Michael Karas

Kanallar arasındaki karışma "gürültü" değildir. Filtreleme bundan kurtulamaz.

— Scott Seidman

Şemayı güncelledim. @ScottSeidman karışmalarını önlemek / ortadan kaldırmak için yapabileceğim bir şey var mı?

— david berliner

Çekildiği gibi R3 ve R5 anlamsızdır. IC1A çıkışı ile R5 ve R3 arasındaki düğüm arasında olması amaçlanan bir kapağı eksik.

— Olin Lathrop

@OlinLathrop iyi tespit, bunu şimdi ekledim.

— david berliner

Yanıtlar:

Bir sinyali sayısallaştırmadan önce kenar yumuşatma filtresi kullanmak her zaman iyi uygulamalardır. Hedef sinyaliniz Nyquist oranının üstünde frekans bileşenleri içermemesine rağmen, başka gürültü kaynakları da olabilir.

Öncelikle hangi bant genişliğini kapsamak istediğinize karar vermelisiniz. ADC örnekleriniz 75kHz'de ise, 37.5kHz'in üzerinde herhangi bir frekans olmamalıdır. Ardından, kenar yumuşatma filtrenizin gerekli zayıflamasını ve sırasını hesaplıyoruz. Bunun için aşağıdaki şekli göz önünde bulundurun:

Bu şekil, biri örnekleme hızı fs ve diğeri K * fs olan iki vakayı göstermektedir . Giriş sinyalinin (dijital karıştırma) örneklenmesi nedeniyle, fs / 2'den yüksek tüm frekans bileşenleri "katlanır". Daha sonra fs-fa'dan daha yüksek frekans bileşenleri ilgilenilen sinyale (kırmızı) yumuşatılır.
Şekil (A) 'da, Nyquist oranına yakın bir bant genişliği ( fa ) olan bir sinyali örneklemek istediğinizi varsayıyoruz ( fs / 2 ) . Belirli bir dinamik aralığı (DR) garanti etmek için dik bir devrilmeye ihtiyacımız var, örneğin fs-fa'dan daha yüksek frekanslarda gürültüyü azaltan yüksek bir filtre oder . Şekil (B) 'de daha yüksek bir örnekleme oranı ( K * fs) kullanıyoruz), filtrenin gerekli sırasını gevşetip devre tasarımını basitleştirir.

Bahsettiğiniz gibi, ADC'niz 13dB çözünürlüğe sahiptir. İdeal SNR'niz (Sinyal Gürültü Oranı) veya bu durumda DR'niz şu şekilde olur:

S N- R, = N- \cdot 6.02 + 1,76 [d B] = 80 d B

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

Yani, ideal durumda fs- fa'da en az 80dB'lik bir zayıflama istiyorsunuz . Temel birinci dereceden düşük geçiş filtresi 20dB / dec zayıflamaya sahiptir. Sinyal bant genişliğinizi 20kHz olarak kısıtlarsanız, ideal örnekleme frekansınız 200MHz'de olur.

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

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

Bu kısıtlamayı 75kHz örnekleme hızınızla karşılamak için düşük geçişli bir filtreye 8. sıraya ihtiyacınız olacaktır. Bu kesinlikle çok fazla ama tüm bu hesaplamalar, gürültünüzün ilgi sinyaliniz olarak genlikte eşit olduğunu varsayar. Uygulamada, ikinci veya üçüncü dereceden bir filtre büyük olasılıkla yeterlidir.

Ek bilgi için bakınız: W. Kester, Veri dönüştürme el kitabı: Analog cihazlar. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

— kırlangıç
kaynak

Teşekkürler Martin. Biraz daha fazla okuyabilmem ve anlayabilmem için belki de bu denklemlerin nereden geldiğine dair bir bağınız var mı?

— david berliner

@david W. Kester, Analog cihazlardan veri dönüştürme el kitabı genel olarak ADC'ler hakkında harika bir kitap. Şekil, bölüm 2 sayfa 2.29'dan alınmıştır. Yukarıdaki yazıma bir link ekledim.

— Martin

Sadece net olmak için. Bir Kenar Yumuşatma filtresi aslında sadece bir Düşük Geçiş Filtresi, değil mi?

— Luke

@luke Doğru. Fs / 2'nin altındaki frekanslar geçebilirken, başka bir şey mümkün olduğunca azaltılabilir. Bir istisna var. İnterrest sinyalinizin tüm frekansları sıfırın üzerinde sınırlı bir bant genişliği varsa (örn. Bant geçiren sinyal), örnekleme kullanıyorsunuz ve bu nedenle bir bant geçiren kenar yumuşatma filtresine ihtiyacınız var. Ayrıca bakınız: örnekleme

— Martin

ADC'den önce kenar yumuşatma filtreleri hakkında endişelenmem gerekiyor mu?

ADC'nizde yerleşik bir kenar yumuşatma filtresi yoksa, evet, yalnızca nyqist sınırının altındaki frekanslarla ilgilenseniz bile buna dikkat etmelisiniz.

Bunun nedeni, nyquist limit katından (ayna) daha yüksek frekansların ilgi frekans aralığınıza geri dönmesidir. Örneğin, 20khz'de örnek alıyorsanız ve kondenser mikrofonunuz 15khz'de ses alıyorsa, örneklenen verilerinizde güçlü bir 5khz sinyali bulacaksınız.

Zaten opamp kullandığınızdan, mevcut devreye kolayca ucuz bir alçak geçiren filtre ekleyebilirsiniz. Bunu yapmak için R6 ve R7'ye paralel bir kondansatör yerleştirin. Yüksek frekanslara karşı düşük direnç olarak hareket edecek ve düşük frekansları etkilenmeden bırakırken toplam kazancı azaltacaktır. Bu, yüksek frekans bileşenlerini zayıflatmaya ve takma adı düşürmeye biraz yardımcı olacaktır.

Daha iyi performans istiyorsanız, sallen-key düşük geçiş filtrelerine bakın. Tek bir opamp çevresinde üçüncü dereceden bir filtre oluşturulabilir.

Genel olarak devrenizle ilgili olarak: TL64 opamp'lerine, çalışmayan tekli besleme 5V'nizden güç veriyorsanız. Veri sayfasındaki birkaç parametreyi aştınız. En dikkat çekici olanı, minimum besleme voltajının sadece yarısına sahip olmanızdır. Ayrıca TL64 opamps, raylardan 4V uzakta olan minimum garantili bir çıkış voltaj aralığına sahiptir, bu nedenle 10V'luk bir besleme ile bile sinyaliniz küçük bir 2V bandıyla sınırlandırılır.

LM358 (TSH80 / TSH84 modern bir yükseltmedir) gibi tek besleme işlemi için bir opamp seçmenizi veya bir raydan raya opamp kullanmanızı öneririz.

— Nils Pipenbrinck
kaynak

Değerli geri bildiriminiz için teşekkür ederiz. Gittim ve bu opamp için veri sayfasını kontrol ettim ve haklısın, ancak benim devre çalışıyor !? Ben sadece + 5V ve 0V veriyorum ve yine de benim dalga tepe-tepe etrafında 3.5V kırpmaya başlar. en tuhaf. Prensip olarak değiştirmem ya da bırakmam gerektiğinden emin değilim çünkü çalışıyor ...

— david berliner

Veri sayfasındaki parametreler en kötü durum değerleridir. Tipik opamp daha iyi özelliklere sahip olabilir. Opamp'ı spesifikasyon dışında kullanmak, kişisel bir proje veya prototip için uygunsa.

— Nils Pipenbrinck