Hinzufügen eines Anti-Aliasing-Filters zum Operationsverstärker vor dem ADC

Es empfiehlt sich immer, vor der Digitalisierung eines Signals einen Anti-Aliasing-Filter zu verwenden. Obwohl Ihr Zielsignal keine Frequenzkomponenten über der Nyquist-Rate enthält, kann es andere Rauschquellen geben, die dies tun.

Zunächst müssen Sie entscheiden, welche Bandbreite Sie abdecken möchten. Wenn Ihr ADC mit 75 kHz abtastet, sollten keine Frequenzen über 37,5 kHz vorhanden sein. Als nächstes berechnen wir die benötigte Dämpfung und Ordnung Ihres Anti-Aliasing-Filters. Betrachten Sie dazu folgende Abbildung:

Diese Abbildung zeigt zwei Fälle, einen mit einer Abtastrate fs und einen mit K*fs . Durch die Abtastung des Eingangssignals (digitale Mischung) werden alle Frequenzanteile größer fs/2 „zurückgefaltet“. Frequenzkomponenten, die höher als fs-fa sind, werden dann in das interessierende Signal (rot) gealiased.
In Abbildung (A) gehen wir davon aus, dass Sie ein Signal mit einer Bandbreite ( fa ) nahe der Nyquist-Rate ( fs/2 ) abtasten möchten. Um einen bestimmten Dynamikbereich (DR) zu gewährleisten, benötigen wir einen steilen Roll-Off, zB einen hohen Filter oder der jedes Rauschen mit Frequenzen höher als fs-fa dämpft . In Abbildung (B) verwenden wir eine höhere Abtastrate ( K * fs), was die erforderliche Reihenfolge des Filters lockert und das Schaltungsdesign vereinfacht.

Wie Sie bereits erwähnt haben, hat Ihr ADC eine Auflösung von 13 dB. Ihr ideales SNR (Signal to Noise Ratio) oder in diesem Fall Ihre DR ist dann:

Im Idealfall wünscht man sich also eine Dämpfung von mindestens 80dB bei fs-fa . Ein einfaches Tiefpassfilter erster Ordnung hat eine Dämpfung von 20 dB/dec. Wenn Sie Ihre Signalbandbreite beispielsweise auf 20 kHz beschränken, liegt Ihre ideale Abtastfrequenz dann bei 200 MHz.

Um diese Einschränkung mit Ihrer Abtastrate von 75 kHz zu erfüllen, benötigen Sie einen Tiefpassfilter 8. Ordnung. Das ist sicherlich viel, aber alle diese Berechnungen gehen davon aus, dass das Rauschen in der Amplitude gleich Ihrem interessierenden Signal ist. In der Praxis ist höchstwahrscheinlich ein Filter zweiter oder dritter Ordnung ausreichend.

Weitere Informationen siehe: W. Kester, Datenkonvertierungshandbuch: Analoge Geräte. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

Muss ich mich vor dem ADC um Anti-Aliasing-Filter kümmern?

Wenn Ihr ADC keinen integrierten Anti-Aliasing-Filter hat, sollten Sie sich darum kümmern, auch wenn Sie nur an Frequenzen unterhalb der Nyqist-Grenze interessiert sind.

Der Grund dafür ist, dass Frequenzen, die höher als die Nyquist-Grenze sind, in Ihren interessierenden Frequenzbereich zurückgefaltet (gespiegelt) werden. Wenn Sie beispielsweise mit 20 kHz abtasten und Ihr Kondensatormikrofon Audio mit 15 kHz aufnimmt, finden Sie in Ihren abgetasteten Daten ein starkes 5-kHz-Signal.

Da Sie bereits Operationsverstärker verwenden, können Sie der vorhandenen Schaltung problemlos einen billigen Tiefpassfilter hinzufügen. Dazu einfach einen Kondensator parallel zu R6 und R7 schalten. Sie wirken als niedriger Widerstand für hohe Frequenzen und verringern die Gesamtverstärkung, während die niedrigen Frequenzen unbeeinflusst bleiben. Dies hilft bereits ein wenig, die hochfrequenten Komponenten zu dämpfen und das Aliasing zu verringern.

Wenn Sie eine bessere Leistung wünschen, sehen Sie sich Sallen-Key-Tiefpassfilter an. Ein Filter dritter Ordnung kann um einen einzelnen Operationsverstärker herum aufgebaut werden.

In Bezug auf Ihre Schaltung im Allgemeinen: Wenn Sie die TL64-Operationsverstärker nur mit Ihrer einzigen 5-V-Versorgung versorgen, funktioniert das nicht. Sie überschreiten mehrere Parameter aus dem Datenblatt. Am bemerkenswertesten ist, dass Sie nur die Hälfte der minimalen Versorgungsspannung haben. Außerdem haben die TL64-Operationsverstärker einen garantierten Mindestausgangsspannungsbereich, der 4 V von den Schienen entfernt ist, sodass Ihr Signal selbst bei einer 10-V-Versorgung auf ein kleines 2-V-Band beschränkt wäre.

Ich schlage vor, Sie wählen einen Operationsverstärker für den Einzelversorgungsbetrieb wie den LM358 (TSH80 / TSH84 ist ein modernes Upgrade) oder verwenden einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker.