ADC 전에 안티 앨리어싱 필터를 연산 증폭기에 추가


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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.

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

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.


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회로도에 일부 점이 없습니다. 하나의 특별한 경우는 R2 / R4 쌍의 유일한 목적처럼 + 5V 전원에 25 uA 부하를 추가하는 것입니다.
— Michael Karas

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채널 간 누화는 "잡음"이 아닙니다. 필터링은 제거되지 않습니다.
— Scott Seidman

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회로도를 업데이트했습니다. @ScottSeidman 누화를 예방 / 제거하기 위해 할 수있는 일이 있습니까?
— david berliner

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그림과 같이 R3 및 R5는 의미가 없습니다. IC1A의 출력과 R5와 R3 사이의 노드 사이에있는 캡이 없습니다.
— Olin Lathrop

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@OlinLathrop을 잘 보았습니다. 지금 추가했습니다.
— david berliner

답변:


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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.

앤티 앨리어싱 필터와 오버 샘플링의 관계

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.

SNR=N⋅6.02+1.76[dB]=80dB

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.

f−80dB=fa⋅1080dB20dB=200MHz

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.


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고마워 마틴 내가 조금 더 읽어보고 이해할 수 있도록이 방정식의 출처에 대한 링크가 있습니까?
— david berliner

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@david W. Kester, Analog Devices의 데이터 변환 핸드북은 일반적으로 ADC에 관한 훌륭한 책입니다. 그림은 2 장 2.29 페이지입니다. 위의 게시물에 링크를 추가했습니다.
— Martin

분명해 지려면 앤티 앨리어싱 필터는 본질적으로 저역 통과 필터입니다.
— 누가

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@luke 맞습니다. fs / 2 이하의 주파수는 통과 할 수 있지만 다른 것들은 가능한 한 많이 감쇠시킵니다. 한 가지 예외가 있습니다. 인터 레스트 신호에 모든 주파수가 0보다 큰 제한된 대역이있는 경우 (예 : 대역 통과 신호) 언더 샘플링을 사용하므로 대역 통과 앤티 앨리어싱 필터가 필요합니다. 또한 참조 언더 샘플링
— 마틴

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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.


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소중한 의견에 감사드립니다. 나는이 opamp에 대한 데이터 시트를 확인했고 당신은 정확하지만 회로가 작동합니다!? 나는 단지 + 5V와 0V를 제공하고 있지만 내 웨이브는 약 3.5V 피크 대 피크에서 클리핑되기 시작합니다. 가장 기괴한. 원칙적으로 변경해야하는지, 아니면 작동하고 있기 때문에 그대로 두어야할지 모르겠습니다 ...
— david berliner

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데이터 시트의 매개 변수는 최악의 값입니다. 전형적인 opamp는 더 나은 특성을 가질 수 있습니다. 개인 프로젝트 또는 프로토 타입에 적합하다면 사양을 벗어난 opho를 사용하는 것이 좋습니다.
— Nils Pipenbrinck
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