Adicionando um filtro anti-aliasing ao amplificador operacional antes do ADC

Estou projetando um circuito destinado a capturar amostras de áudio de vários canais para a localização da fonte de som.

Cada canal possui o seguinte circuito op-amp de 2 estágios, antes de entrar em um ADC de 13 bits:

Eu gostaria de poder localizar fontes de som de até 10KHz, mas quanto maior a largura de banda, melhor (acho que os microfones de condensador aguentam até 16KHz, não 100% de certeza)

Quanto mais rápido eu amostrar, melhor a resolução espacial que posso obter. Eu sou capaz de espremer uma taxa de amostragem de cerca de 75KHz.

Pergunta Preciso me preocupar com filtros anti-aliasing antes do ADC? Pelo que entendi, o aliasing só ocorre quando você opera abaixo do limite de Nyquist; portanto, um componente teórico de frequência máxima de 75KHz / 2 seria meu limite, que é muito maior do que eu preciso.

Se eu não precisar de nenhum filtro anti-aliasing, há mais alguma coisa que devo fazer para remover ruídos indesejados na saída? Quando olho para um escopo, parece que está tudo bem, mas isso é apenas com 1 canal criado. Fico preocupado quando adiciono todos os cinco canais na mesma placa para que eles interfiram entre si.

É sempre recomendável usar o filtro anti-aliasing antes de digitalizar um sinal. Embora o seu sinal alvo não contenha componentes de frequência acima da taxa Nyquist, pode haver outras fontes de ruído.

Antes de tudo, você precisa decidir qual largura de banda deseja cobrir. Se o seu ADC fizer amostragem a 75kHz, não deve haver nenhuma frequência acima de 37,5kHz. Em seguida, calculamos a atenuação e a ordem necessárias do seu filtro anti-aliasing. Para isso, considere a seguinte figura:

Esta figura apresenta dois casos, um com taxa de amostragem fs e outro com K * fs . Devido à amostragem do sinal de entrada (mixagem digital), todos os componentes de frequência superiores a fs / 2 serão "dobrados" para trás. Os componentes de frequência maiores que fs-fa serão então aliasizados no sinal de interesse (vermelho).
Na figura (A), assumimos que você deseja amostrar um sinal com uma largura de banda ( fa ) próxima à taxa de Nyquist ( fs / 2 ). Para garantir uma certa faixa dinâmica (DR), precisamos de uma saída íngreme, por exemplo, um alto odor de filtro que atenue qualquer ruído com frequências maiores que fs-fa . Na figura (B), usamos uma taxa de amostragem mais alta ( K * fs) que relaxa a ordem exigida do filtro e simplifica o design do circuito.

Como você mencionou, seu ADC possui uma resolução de 13dB. Seu SNR ideal (relação sinal / ruído) ou, nesse caso, seu DR é:

Portanto, no caso ideal, você deseja uma atenuação de pelo menos 80dB em fs-fa . Um filtro passa-baixo básico de primeira ordem possui uma atenuação de 20dB / dec. Se você restringir a largura de banda do sinal para 20kHz, sua frequência de amostragem ideal será de 200MHz.

Para satisfazer essa restrição com sua taxa de amostragem de 75kHz, você precisará de um filtro passa-baixa de 8ª ordem. Isso certamente é muito, mas todos esses cálculos assumem ruído igual em amplitude como seu sinal de interesse. Na prática, um filtro de segunda ou terceira ordem é provavelmente suficiente.

Para informações adicionais, consulte: W. Kester, Manual de conversão de dados: Dispositivos analógicos. Amsterdã: Elsevier Newnes, 2005.

Preciso me preocupar com filtros anti-aliasing antes do ADC

A menos que o seu ADC tenha um filtro anti-aliasing interno, sim, você deve cuidar disso, mesmo se estiver interessado apenas em frequências abaixo do limite nyqist.

O motivo é que as frequências mais altas que o limite de nyquist dobram (espelho) de volta à sua faixa de frequência de interesse. Por exemplo, se você estiver amostrando a 20khz e o microfone condensador captar áudio a 15khz, você encontrará um forte sinal de 5khz nos dados amostrados.

Como você já está usando opamps, você pode facilmente adicionar um filtro passa-baixo barato ao circuito existente. Para fazer isso, basta colocar um capacitor em paralelo a R6 e R7. Eles atuarão como uma baixa resistência a altas frequências e diminuirão o ganho geral, deixando as baixas frequências inalteradas. Isso já ajudará um pouco a atenuar os componentes de alta frequência e diminuir o alias.

Se você deseja um melhor desempenho, consulte os filtros low-pass de baixo custo. Um filtro de terceira ordem pode ser construído em torno de um único opamp.

Em relação ao seu circuito em geral: se você estiver alimentando os opamps TL64 apenas de sua fonte única de 5V, isso não funcionará. Você excede vários parâmetros da folha de dados. O mais notável é que você tem apenas metade da tensão mínima de alimentação. Além disso, os opamps TL64 têm uma faixa de tensão de saída mínima garantida que fica a 4V dos trilhos, portanto, mesmo com uma alimentação de 10V, seu sinal seria restrito a uma pequena faixa de 2V.

Eu sugiro que você escolha um opamp para operação de suprimento único como o LM358 (TSH80 / TSH84 é uma atualização moderna) ou use um opamp ferroviário para ferroviário.