Agregar un filtro anti-aliasing a op-amp antes de ADC

Siempre es una buena práctica usar un filtro antialias antes de digitalizar una señal. Aunque su señal de destino no contiene componentes de frecuencia por encima de la tasa de Nyquist, puede haber otras fuentes de ruido que lo hagan.

En primer lugar, debe decidir qué ancho de banda desea cubrir. Si su ADC muestrea a 75 kHz, entonces no debería haber ninguna frecuencia por encima de 37.5 kHz. A continuación, calculamos la atenuación y el orden necesarios de su filtro anti-aliasing. Para esto considérese la siguiente figura:

Estafigurapresentadoscasos,unoconunafrecuenciademuestreofsyotroconK*fs.Debidoalmuestreodelaseñaldeentrada(mezcladigital),todosloscomponentesdefrecuenciasuperioresafs/2se"plegarán" hacia atrás. Los componentes de frecuencia superiores a fs-fa se unirán a la señal de interés (rojo).
En la figura (A), asumimos que desea muestrear una señal con un ancho de banda ( fa ) cercano a la tasa de Nyquist ( fs / 2 ). Para garantizar un cierto rango dinámico (DR), necesitamos una reducción progresiva, p. Ej. un filtro alto que atenúa cualquier ruido con frecuencias más altas que fs-fa . En la figura (B) usamos una tasa de muestreo más alta ( K * fs ) que relaja el orden requerido del filtro y simplifica el diseño del circuito.

Como mencionaste, tu ADC tiene una resolución de 13dB. Su SNR ideal (relación señal / ruido) o, en este caso, su DR es:

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

Por lo tanto, en el caso ideal, desea una atenuación de al menos 80dB en fs-fa . Un filtro de paso bajo de primer orden básico tiene una atenuación de 20dB / dec. Si restringe el ancho de banda de su señal a 20kHz, su frecuencia de muestreo ideal es de 200MHz.

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

Para satisfacer esta restricción con su frecuencia de muestreo de 75 kHz, necesitaría un filtro de paso bajo de octavo orden. Esto es ciertamente mucho, pero todos estos cálculos suponen un ruido igual en amplitud como señal de interés. En la práctica, lo más probable es que un filtro de segundo o tercer orden sea suficiente.

Para información adicional ver: W. Kester, manual de conversión de datos: dispositivos analógicos. Amsterdam u.a .: Elsevier Newnes, 2005.

  

¿Debo preocuparme por los filtros anti-aliasing antes del ADC

A menos que su ADC tenga un filtro anti-alias incorporado, entonces sí, debe cuidarlo incluso si solo está interesado en frecuencias por debajo del límite de nyqist.

El motivo es que las frecuencias superiores al límite de nyquist se pliegan (se reflejan) nuevamente dentro de su rango de frecuencia de interés. Por ejemplo, si está muestreando a 20 kHz y su micrófono de condensador capta el audio a 15 kz, encontrará una fuerte señal de 5 kHz en sus datos muestreados.

Ya que está utilizando opamps, puede agregar fácilmente un filtro de paso bajo barato al circuito existente. Para hacerlo, simplemente ponga un condensador en paralelo a R6 y R7. Actuarán como una baja resistencia a las frecuencias altas y disminuirán la ganancia general mientras que las bajas frecuencias no se verán afectadas. Esto ya ayudará un poco a atenuar los componentes de alta frecuencia y disminuir el aliasing.

Si desea obtener un mejor rendimiento, consulte los filtros de paso bajo de clave sallen. Un filtro de tercer orden se puede construir alrededor de un solo bloque de acción.

Con respecto a su circuito en general: si está alimentando los opamps TL64 solo con su única fuente de alimentación de 5 V, eso no funcionará. Se superan varios parámetros de la ficha técnica. Lo más notable es que solo tiene la mitad del voltaje de suministro mínimo. Además, los opamps TL64 tienen un rango de voltaje de salida mínimo garantizado que está a 4V de distancia de los rieles, por lo que incluso con un suppy de 10V, su señal se limitaría a una pequeña banda de 2V.

Le sugiero que elija un opamp para operaciones de suministro único como el LM358 (TSH80 / TSH84 es una actualización moderna) o use un opamp riel a riel.