Thêm bộ lọc khử răng cưa vào op-amp trước ADC

Tôi đang thiết kế một mạch nhằm thu các mẫu âm thanh từ nhiều kênh để định vị nguồn âm thanh.

Mỗi kênh có mạch op-amp 2 giai đoạn sau, trước khi đi vào ADC 13 bit:

Tôi muốn có thể bản địa hóa các nguồn âm thanh lên đến khoảng 10KHz nhưng băng thông càng lớn thì càng tốt (tôi nghĩ rằng các mics tụ có thể xử lý lên đến khoảng 16KHz, không chắc chắn 100%)

Tôi lấy mẫu càng nhanh thì độ phân giải không gian tôi có thể nhận được càng tốt. Tôi có thể đạt được tốc độ mẫu khoảng 75KHz.

Câu hỏi Tôi có cần lo lắng về các bộ lọc khử răng cưa trước ADC không? Theo tôi hiểu, hiện tượng răng cưa chỉ xảy ra khi bạn hoạt động dưới giới hạn Nyquist, do đó, thành phần tần số tối đa theo lý thuyết là 75KHz / 2 sẽ là giới hạn của tôi, cao hơn nhiều so với tôi cần.

Nếu tôi không cần bất kỳ bộ lọc khử răng cưa nào thì tôi nên làm gì khác để loại bỏ nhiễu không mong muốn ở đầu ra? Khi tôi nhìn vào một phạm vi có vẻ ổn nhưng điều này chỉ với 1 kênh được xây dựng, tôi lo lắng khi tôi thêm tất cả năm kênh trên cùng một bảng mà chúng sẽ can thiệp lẫn nhau.

Luôn luôn là một thực hành tốt để sử dụng bộ lọc khử răng cưa trước khi số hóa tín hiệu. Mặc dù tín hiệu mục tiêu của bạn không chứa các thành phần tần số cao hơn tốc độ Nyquist, nhưng có thể có các nguồn nhiễu khác.

Trước hết bạn cần quyết định băng thông nào bạn muốn phủ. Nếu các mẫu ADC của bạn ở 75kHz, thì không nên có bất kỳ tần số nào trên 37,5kHz. Tiếp theo, chúng tôi tính toán mức suy giảm và thứ tự cần thiết của bộ lọc khử răng cưa của bạn. Đối với điều này xem xét hình sau:

Hình này trình bày hai trường hợp một với tỷ lệ lấy mẫu fs và một với K * fs . Do lấy mẫu tín hiệu đầu vào (trộn kỹ thuật số), tất cả các thành phần tần số cao hơn fs / 2 sẽ bị "gập lại". Các thành phần tần số cao hơn fs-fa sau đó sẽ được đặt bí danh thành tín hiệu quan tâm (màu đỏ).
Trong hình (A), chúng tôi giả sử bạn muốn lấy mẫu tín hiệu có băng thông ( fa ) gần với tốc độ Nyquist ( fs / 2 ). Để đảm bảo phạm vi động nhất định (DR), chúng ta cần có một cuộn xuống dốc, ví dụ như bộ lọc mùi cao làm giảm bất kỳ nhiễu nào có tần số cao hơn fs-fa . Trong hình (B), chúng tôi sử dụng tỷ lệ lấy mẫu cao hơn ( K * fs) giúp thư giãn thứ tự cần thiết của bộ lọc và đơn giản hóa thiết kế mạch.

Như bạn đã đề cập, ADC của bạn có độ phân giải 13dB. SNR lý tưởng của bạn (Tỷ lệ tín hiệu / nhiễu) hoặc trong trường hợp này là DR của bạn sau đó:

Vì vậy, trong trường hợp lý tưởng, bạn muốn suy giảm ít nhất 80dB tại fs-fa . Bộ lọc thông thấp thứ tự cơ bản đầu tiên có độ suy giảm 20dB / dec. Nếu bạn giới hạn băng thông tín hiệu ở mức 20kHz, tần số lấy mẫu lý tưởng của bạn nằm ở mức 200 MHz.

Để đáp ứng hạn chế này với tốc độ lấy mẫu là 75kHz, bạn sẽ cần một bộ lọc thông thấp thứ 8. Điều này chắc chắn là rất nhiều nhưng tất cả các tính toán này đều cho rằng nhiễu có biên độ bằng tín hiệu quan tâm của bạn. Trong thực tế, bộ lọc thứ hai hoặc thứ ba rất có thể là đủ.

Để biết thêm thông tin, hãy xem: W. Kester, Cẩm nang chuyển đổi dữ liệu: Thiết bị analog. Amsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

Tôi có cần phải lo lắng về các bộ lọc khử răng cưa trước ADC không

Trừ khi ADC của bạn có bộ lọc khử răng cưa tích hợp, thì có, bạn nên quan tâm đến nó ngay cả khi bạn chỉ quan tâm đến tần số dưới giới hạn nyqist.

Lý do là, tần số cao hơn lần gập giới hạn nyquist (gương) trở lại dải tần quan tâm của bạn. Ví dụ: nếu bạn đang lấy mẫu ở 20khz và mic ngưng tụ của bạn thu âm thanh ở 15khz, bạn sẽ tìm thấy tín hiệu 5khz mạnh trong dữ liệu được lấy mẫu của mình.

Vì bạn đã sử dụng opamp, bạn có thể dễ dàng thêm một số bộ lọc thông thấp giá rẻ vào mạch hiện có. Để làm như vậy chỉ cần đặt một tụ điện song song với R6 và R7. Chúng sẽ hoạt động như một điện trở thấp đối với các tần số cao và hạ thấp mức tăng chung trong khi vẫn khiến các tần số thấp không bị ảnh hưởng. Điều này đã giúp một chút để làm giảm các thành phần tần số cao và giảm răng cưa.

Nếu bạn muốn hiệu suất tốt hơn, hãy kiểm tra các bộ lọc thông thấp sallen-key. Một bộ lọc thứ ba có thể được xây dựng xung quanh một opamp duy nhất.

Về mạch của bạn nói chung: Nếu bạn cung cấp năng lượng cho các opamp TL64 chỉ từ nguồn cung cấp 5V duy nhất của bạn sẽ không hoạt động. Bạn vượt quá một vài tham số từ bảng dữ liệu. Đáng chú ý nhất là, bạn chỉ có một nửa điện áp cung cấp tối thiểu. Ngoài ra, các opamp TL64 có dải điện áp đầu ra được đảm bảo tối thiểu cách xa đường ray 4V, do đó, ngay cả với suppy 10V, tín hiệu của bạn sẽ bị giới hạn ở băng tần 2V nhỏ.

Tôi khuyên bạn nên chọn một opamp cho hoạt động cung cấp đơn lẻ như LM58 (TSH80 / TSH84 là một bản nâng cấp hiện đại) hoặc sử dụng một opamp đường sắt-ray.