การเพิ่มตัวกรองการลบรอยหยักใน op-amp ก่อน ADC

ฉันกำลังออกแบบวงจรที่มีจุดประสงค์เพื่อจับภาพตัวอย่างเสียงจากหลายช่องสัญญาณเพื่อการแปลแหล่งกำเนิดเสียง

แต่ละช่องมีวงจร op-amp 2 สเตจต่อไปนี้ก่อนจะเข้าสู่ ADC ขนาด 13 บิต:

ฉันต้องการที่จะสามารถ จำกัด แหล่งกำเนิดเสียงได้ถึง 10KHz แต่แบนด์วิดธ์ที่ใหญ่กว่านั้นดีกว่า (ฉันคิดว่าไมโครโฟนคอนเดนเซอร์สามารถรองรับได้มากถึง 16KHz ไม่แน่ใจ 100%)

ยิ่งฉันสุ่มตัวอย่างความละเอียดเชิงพื้นที่ได้เร็วเท่าไหร่ ฉันสามารถบีบอัตราตัวอย่างประมาณ 75KHz

คำถาม ฉันต้องกังวลเกี่ยวกับตัวกรองการลบรอยหยักก่อนที่ ADC หรือไม่ ดังที่ฉันเข้าใจว่าการใช้นามแฝงจะเกิดขึ้นเมื่อคุณทำงานต่ำกว่าขีด จำกัด Nyquist ดังนั้นองค์ประกอบความถี่สูงสุดทางทฤษฎีที่ 75KHz / 2 จะเป็นขีด จำกัด ของฉันซึ่งสูงกว่าที่ฉันต้องการมาก

หากฉันไม่ต้องการตัวกรองการลดรอยหยักใด ๆ ฉันควรทำอย่างไรเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการออก เมื่อฉันดูในขอบเขตดูเหมือนว่าจะโอเค แต่นี่เป็นเพียง 1 แชนเนลที่สร้างขึ้นฉันกังวลเมื่อฉันเพิ่มทั้งห้าแชนเนลในบอร์ดเดียวกันว่าพวกเขาจะเข้าไปยุ่งกัน

เป็นวิธีปฏิบัติที่ดีเสมอในการใช้ตัวกรองการลดรอยหยักก่อนที่จะแปลงสัญญาณเป็นดิจิตอล แม้ว่าสัญญาณเป้าหมายของคุณจะไม่มีส่วนประกอบความถี่ที่สูงกว่าอัตรา Nyquist แต่ก็อาจมีสัญญาณรบกวนอื่น ๆ

ก่อนอื่นคุณต้องตัดสินใจเลือกแบนด์วิดท์ที่คุณต้องการ หากตัวอย่าง ADC ของคุณที่ 75kHz นั้นไม่ควรมีความถี่ใด ๆ ที่สูงกว่า 37.5kHz ต่อไปเราจะคำนวณการลดทอนที่จำเป็นและลำดับของตัวกรองการลบรอยหยักของคุณ สำหรับการพิจารณารูปต่อไปนี้:

รูปนี้นำเสนอสองกรณีหนึ่งที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่างFSและเป็นหนึ่งเดียวกับK * FS เนื่องจากการสุ่มตัวอย่างสัญญาณอินพุท (การผสมดิจิตอล) ส่วนประกอบความถี่ทั้งหมดที่สูงกว่าfs / 2จะถูก "พับ" ย้อนกลับ ส่วนประกอบความถี่ที่สูงกว่าfs-faจะถูกใช้ชื่อแทนสัญญาณที่น่าสนใจ (สีแดง)
ในรูป (A) เราถือว่าคุณต้องการตัวอย่างสัญญาณด้วยแบนด์วิดท์ ( fa ) ใกล้กับอัตรา Nyquist ( fs / 2 ) เพื่อรับประกันช่วงแบบไดนามิกบางอย่าง (DR) เราต้องสูงชันม้วนปิดเช่นกรองสูง oder ซึ่งลดทอนเสียงรบกวนใด ๆ ที่มีความถี่สูงกว่าFS-ฟะ ในรูป (B) เราใช้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้น ( K * fs) ซึ่งผ่อนคลายลำดับที่ต้องการของตัวกรองและทำให้การออกแบบวงจรง่ายขึ้น

ดังที่คุณกล่าวถึง ADC ของคุณมีความละเอียด 13dB SNR ในอุดมคติของคุณ (อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน) หรือในกรณีนี้ DR ของคุณคือ:

ดังนั้นในกรณีที่เหมาะคุณต้องการลดทอนอย่างน้อย 80dB ที่FS-ฟะ ตัวกรอง low-pass พื้นฐานอันดับแรกมีการลดทอนของ 20dB / ธันวาคม หากคุณ จำกัด แบนด์วิดท์ของสัญญาณว่า 20kHz ความถี่การสุ่มตัวอย่างในอุดมคติของคุณจะอยู่ที่ 200MHz

ในการตอบสนองข้อ จำกัด นี้ด้วยอัตราการสุ่มตัวอย่าง 75kHz ของคุณคุณจะต้องมีตัวกรอง low-pass ลำดับที่ 8 นี่เป็นจำนวนมากอย่างแน่นอน แต่การคำนวณทั้งหมดนี้ถือว่าเสียงมีความกว้างเท่ากับสัญญาณที่คุณสนใจ ในทางปฏิบัติตัวกรองคำสั่งที่สองหรือสามนั้นน่าจะเพียงพอแล้ว

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมดู: W. Kester, คู่มือการแปลงข้อมูล: อุปกรณ์อะนาล็อก Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005

ฉันต้องกังวลเกี่ยวกับตัวกรองการลบนามแฝงก่อน ADC หรือไม่

ยกเว้นว่า ADC ของคุณมีตัวกรองการลบนามแฝงในตัวใช่แล้วคุณควรดูแลแม้ว่าคุณจะสนใจเฉพาะความถี่ที่ต่ำกว่าขีด จำกัด nyqist ก็ตาม

เหตุผลคือความถี่นั้นสูงกว่าขีด จำกัด nyquist (กระจก) กลับเข้าสู่ช่วงความถี่ที่คุณสนใจ ตัวอย่างเช่นหากคุณสุ่มตัวอย่างที่ 20khz และไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ของคุณรับเสียงที่ 15khz คุณจะพบสัญญาณ 5khz ที่แข็งแกร่งในข้อมูลตัวอย่างของคุณ

เนื่องจากคุณใช้ opamps อยู่แล้วคุณสามารถเพิ่มตัวกรอง low-pass ราคาถูกลงในวงจรที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย ในการทำเช่นนั้นให้ใส่ตัวเก็บประจุขนานกับ R6 และ R7 พวกเขาจะทำหน้าที่เป็นความต้านทานต่ำถึงความถี่สูงและลดกำไรโดยรวมในขณะที่ออกจากความถี่ต่ำไม่ได้รับผลกระทบ สิ่งนี้จะช่วยให้เล็กน้อยในการลดทอนส่วนประกอบความถี่สูงและลดสมนาม

หากคุณต้องการประสิทธิภาพที่ดีขึ้นลองใช้ตัวกรอง low-pass sallen-key สามารถสร้างตัวกรองคำสั่งที่สามรอบ opamp เดียว

เกี่ยวกับวงจรของคุณโดยทั่วไป: หากคุณจ่ายไฟให้ TL64 opamps จากแหล่งจ่ายไฟ 5V เดียวที่ไม่สามารถใช้งานได้ คุณมีพารามิเตอร์มากกว่าหนึ่งพารามิเตอร์จากแผ่นข้อมูล สิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุดคือคุณมีแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำเพียงครึ่งเดียว TL64 opamps มีช่วงแรงดันไฟฟ้าออกต่ำสุดที่รับประกันซึ่งอยู่ห่างจากราง 4V ดังนั้นแม้จะมี 10V เพื่อให้สัญญาณของคุณถูก จำกัด ไว้ที่ 2V band ขนาดเล็ก

ฉันขอแนะนำให้คุณเลือก opamp สำหรับการใช้งานแบบเดี่ยวเช่น LM358 (TSH80 / TSH84 เป็นการอัพเกรดที่ทันสมัย) หรือใช้ opamp แบบรางต่อรถไฟ