Agregar un filtro anti-aliasing al amplificador operacional antes de ADC

Siempre es una buena práctica usar un filtro anti-aliasing 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 sí lo hagan.

En primer lugar, debe decidir qué ancho de banda desea cubrir. Si su ADC muestrea a 75 kHz, entonces no debería haber frecuencias superiores a 37,5 kHz. A continuación, calculamos la atenuación necesaria y el orden de su filtro anti-aliasing. Para esto considere la siguiente figura:

Esta figura presenta dos casos, uno con una tasa de muestreo fs y otro con K*fs . Debido al muestreo de la señal de entrada (mezcla digital), todos los componentes de frecuencia superiores a fs/2 se "doblarán". Los componentes de frecuencia superiores a fs-fa se convertirán en alias en 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 determinado rango dinámico (DR), necesitamos una caída pronunciada, por ejemplo, un filtro alto que atenúe cualquier ruido con frecuencias superiores a 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. Entonces, su SNR (relación señal/ruido) ideal o, en este caso, su DR es:

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

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 asumen un ruido de igual amplitud que su señal de interés. En la práctica, lo más probable es que sea suficiente un filtro de segundo o tercer orden.

Para obtener información adicional, consulte: W. Kester, Manual de conversión de datos: dispositivos analógicos. Ámsterdam ua: Elsevier Newnes, 2005.

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

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

La razón es que las frecuencias más altas que el límite de nyquist se pliegan (espejo) de nuevo en su rango de frecuencia de interés. Por ejemplo, si está muestreando a 20 khz y su micrófono de condensador capta audio a 15 khz, encontrará una señal fuerte de 5 khz en sus datos muestreados.

Como ya está utilizando amplificadores operacionales, puede agregar fácilmente un filtro de paso bajo económico al circuito existente. Para ello basta con poner un condensador en paralelo a R6 y R7. Actuarán como una baja resistencia a las altas frecuencias y reducirán la ganancia general sin afectar las bajas frecuencias. Esto ya ayudará un poco a atenuar los componentes de alta frecuencia y reducir el aliasing.

Si desea un mejor rendimiento, consulte los filtros de paso bajo de tecla sallen. Se puede construir un filtro de tercer orden alrededor de un solo opamp.

Con respecto a su circuito en general: si está alimentando los amplificadores operacionales TL64 solo con su suministro único de 5V, eso no funcionará. Supera varios parámetros de la hoja de datos. Lo más notable es que solo tiene la mitad del voltaje de suministro mínimo. Además, los amplificadores operacionales TL64 tienen un rango de voltaje de salida mínimo garantizado que está a 4 V de los rieles, por lo que incluso con un suministro de 10 V, su señal estaría restringida a una pequeña banda de 2 V.

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