ADC 전에 안티 앨리어싱 필터를 연산 증폭기에 추가

음원 지역화를 위해 여러 채널에서 오디오 샘플을 캡처하도록 설계된 회로를 설계하고 있습니다.

각 채널에는 13 비트 ADC로 들어가기 전에 다음 2 단계 연산 증폭기 회로가 있습니다.

사운드 소스를 최대 약 10KHz로 현지화하고 싶지만 대역폭이 클수록 더 좋습니다 (콘덴서 마이크는 최대 16KHz까지 처리 할 수 ​​있지만 100 % 확실하지는 않습니다)

샘플링 속도가 빠를수록 공간 분해능이 향상됩니다. 약 75KHz의 샘플 속도를 짤 수 있습니다.

질문 ADC 전에 앤티 앨리어싱 필터에 대해 걱정해야합니까? 알다시피 앨리어싱은 나이키 스트 한계 아래에서 작동 할 때만 발생하므로 이론상 최대 주파수 성분 인 75KHz / 2가 내 한계가되어 필요한 것보다 훨씬 높습니다.

앤티 앨리어싱 필터가 필요하지 않은 경우 출력에서 ​​원치 않는 노이즈를 제거하기 위해 수행해야 할 다른 작업이 있습니까? 스코프를 볼 때 괜찮은 것처럼 보이지만 이것은 1 채널로만 작성된 것입니다. 동일한 보드에 5 개의 채널을 모두 추가하면 서로 방해 할 것이라고 걱정됩니다.

신호를 디지털화하기 전에 앤티 앨리어싱 필터를 사용하는 것이 좋습니다. 타겟 신호에는 나이키 스트 속도 이상의 주파수 성분이 포함되어 있지 않지만 다른 노이즈 소스가있을 수 있습니다.

우선 어떤 대역폭을 포함할지 결정해야합니다. ADC가 75kHz로 샘플링하면 37.5kHz 이상의 주파수가 없어야합니다. 다음으로 앤티 앨리어싱 필터의 필요한 감쇠 및 순서를 계산합니다. 이를 위해 다음 그림을 고려하십시오.

이 그림은 샘플링 레이트 fs 가있는 케이스 와 K * fs 가있는 케이스를 보여줍니다 . 입력 신호 (디지털 믹싱)의 샘플링으로 인해 fs / 2 보다 높은 모든 주파수 성분 이 "접혀집니다". fs-fa 보다 높은 주파수 성분 은 관심 신호 (빨간색)로 앨리어싱됩니다.
그림 (A) 에서 나이 퀴 스트 속도 ( fs / 2 )에 가까운 대역폭 ( fa )을 가진 신호를 샘플링한다고 가정합니다 . 특정 다이내믹 레인지 (DR)를 보장하려면 fs-fa 보다 높은 주파수의 노이즈를 감쇠시키는 높은 필터 주문과 같은 가파른 롤오프가 필요합니다 . 그림 (B)에서 우리는 더 높은 샘플링 속도를 사용합니다 ( K * fs)는 필터의 필요한 순서를 완화하고 회로 설계를 단순화합니다.

언급했듯이 ADC의 해상도는 13dB입니다. 이상적인 SNR (Signal to Noise Ratio) 또는이 경우 DR은 다음과 같습니다.

따라서 이상적인 경우 fs-fa 에서 80dB 이상의 감쇠를 원합니다 . 기본 1 차 저역 통과 필터는 20dB / dec의 감쇠를가집니다. 신호 대역폭을 20kHz로 제한하면 이상적인 샘플링 주파수는 200MHz입니다.

샘플링 속도가 75kHz 인이 제한을 충족하려면 저역 통과 필터 8 차가 필요합니다. 이것은 확실히 많지만이 모든 계산은 관심있는 신호와 진폭의 노이즈가 같다고 가정합니다. 실제로 2 차 또는 3 차 필터로 충분합니다.

자세한 내용은 W. Kester, 데이터 변환 핸드북 : 아날로그 장치를 참조하십시오 . 암스테르담 UA : Elsevier Newnes, 2005.

ADC 전에 앤티 앨리어싱 필터에 대해 걱정해야합니까?

ADC에 앤티 앨리어싱 필터가 내장되어 있지 않다면 nyqist 한도 이하의 주파수에만 관심이있는 경우에도주의해야합니다.

그 이유는 나이 퀴 스트 한계 배 (미러)보다 높은 주파수가 관심있는 주파수 범위로 되돌아 가기 때문입니다. 예를 들어 20khz에서 샘플링하고 콘덴서 마이크가 15khz에서 오디오를 선택하면 샘플링 된 데이터에서 강력한 5khz 신호를 찾을 수 있습니다.

이미 opamp를 사용하고 있으므로 기존 회로에 저렴한 저역 통과 필터를 쉽게 추가 할 수 있습니다. 이렇게하려면 커패시터를 R6 및 R7에 병렬로 배치하십시오. 저주파에는 영향을주지 않으면 서 고주파수에 대한 낮은 저항으로 작용하고 전체 게인을 낮 춥니 다. 이것은 이미 고주파수 성분을 약화시키고 앨리어싱을 낮추는 데 도움이 될 것입니다.

더 나은 성능을 원하면 sallen-key low-pass 필터를 확인하십시오. 단일 opamp 주위에 3 차 필터를 구축 할 수 있습니다.

일반적으로 회로와 관련하여 : TL64 opamp에 전원을 공급하는 경우 단 하나의 전원 공급 장치 5V에서 작동하지 않습니다. 데이터 시트의 여러 매개 변수를 초과했습니다. 가장 주목할만한 것은 최소 공급 전압의 절반 만 가지고 있다는 것입니다. 또한 TL64 opamp는 레일에서 4V 떨어진 최소 보장 출력 전압 범위를 가지므로 10V suppy를 사용하더라도 신호는 작은 2V 대역으로 제한됩니다.

LM358 (TSH80 / TSH84는 최신 업그레이드)과 같은 단일 공급 작업을위한 opamp를 선택하거나 레일 투 레일 opamp를 사용하는 것이 좋습니다.