Filtros digitales vs analógicos desde una perspectiva sin audio

La respuesta simple es: DEBE usar un filtro analógico delante de su ADC. La razón (en una palabra): aliasing.

Por su propia naturaleza, un filtro digital no puede distinguir entre una frecuencia de señal inferior al límite de Nyquist (la mitad de la frecuencia de muestreo) y una que sea mayor.

Tomemos un ADC con una frecuencia de muestreo de 1 kHz. Mira una señal de corriente continua. La salida del ADC será un nivel de CC, ¿verdad? Ahora mire una onda sinusoidal de 1 kHz (perfectamente adaptada en frecuencia al ADC). Obtendrá una muestra por ciclo, en el mismo punto de la forma de onda, cada vez. Esto será completamente indistinguible de un nivel de DC.

Ahora veamos un seno de 999 Hz. Cada muestra sucesiva observará el seno en un punto ligeramente diferente, y el resultado será indistinguible de una onda sinusoidal de 1 Hz. Lo mismo para una señal de 1001 Hz. Si no filtra todo lo que está por encima de 500 Hz antes de las muestras de ADC, tratará con señales que no son la frecuencia que cree que son.

Una vez que tenga un conjunto limpio de datos muestreados, es cierto que los filtros digitales pueden ofrecer un mejor rendimiento que los analógicos, y especialmente si necesita variar los parámetros del filtro en el vuelo digital puede hacerlo mucho mejor que los analógicos.

Pero primero tienes que obtener datos limpios. Y, en principio, la entrada debe filtrarse para reducir el nivel de la señal no deseada a menos de la resolución del ADC (suponiendo que desea que los datos filtrados sean precisos para ese nivel). Esto requiere un filtro de paso bajo con corte muy, muy pronunciado y muy buen rendimiento de bajo nivel. En su caso, si está utilizando un ADC de 12 bits y está viendo señales que tienen componentes a gran escala por encima de 5 MHz, necesita un filtro que tenga una ganancia de 1 a 1 MHz y 1/4096 a 5 MHz. Ese es un corte muy pronunciado, y los filtros utilizados generalmente se denominan "filtros de pared de ladrillo". Por supuesto, si los componentes de la señal de entrada son inferiores a la escala completa por encima de 1 MHz, el filtro no tiene que ser tan bueno, así que no se asusten demasiado. Y para hacer la vida más fácil, los osciloscopios generalmente no necesitan más de 8 bits de resolución, por lo que también ayuda.

Si uno está interesado en las frecuencias desde cero hasta F y la frecuencia de muestreo es S, será necesario el filtrado analógico para eliminar todo lo que tenga una frecuencia superior a S-F. Para frecuencias entre F y S-F, se puede usar filtrado analógico o digital. En muchos casos, el filtrado digital será mejor y más barato, pero solo se puede utilizar para frecuencias de hasta S-F. El aumento de S permitirá que el filtrado digital maneje un rango de frecuencia más amplio, pero impondrá sus propios costos.

A menudo, el costo de aumentar S será pequeño hasta que alcance un cierto punto, más allá del cual comenzaría a requerir cosas como un ADC más rápido, un procesador más rápido, etc. y esas cosas a su vez comenzarán a ser caras. En los casos en que el aumento de S es barato, el uso de filtros digitales en la mayor medida posible es a menudo el enfoque correcto. Por otro lado, incluso el filtro analógico barato puede reducir la frecuencia de muestreo que se requeriría para permitir que un filtro digital se ocupe de lo que no hace el filtro analógico.