Für ein Anti-Aliasing-Tiefpassfilter (3. Ordnung)habe ich einen
Prototypen gebaut, der bereits hier[1] diskutiert wurde. Im Prototypen
habe schließlich zum Testen zunächst einen LT741 verwendet.
Nun möchte ich aber noch einmal genauer auf die Auswahl des Op Amps
eingehen.
Zunächst die harten Fakten:
-Versorgungsspannung: +/- 12 V
-Grenzfrequenz des Filters: f_c =4 kHz [/math]
- Gain Passband: G=1
-Maximalamplitude der Signale: +/-10V, meistens aber deutlich kleiner
-Das Eingangssignal kommt vom Ausgang eines Vorverstärkers (SSM2019)
-Das Ausgangssignal geht an einen ADC
Laut Literatur[2] sind die beiden entscheidenen Parameter für
grundsätzliche Funktion des OpAmps GBWP
Die Wahl des OPs ist ein Kompromiss aus Spannungsrauschen, Stromrauschen
und Stromverbraucht. Eine gute Wahl wären etwa OP1177, OPA145, OPA141
und mit etwas kleineren Widerständen auch ein OPA209.
Ggf. wird das Rauschen sowieso vom Eingangsverstärker bestimmt. D.h. man
muss es nicht übertreiben.
Lurchi schrieb:> Die Wahl des OPs ist ein Kompromiss aus Spannungsrauschen, Stromrauschen> und Stromverbraucht.
ACK. Aber wenn man einen 50 Jahre alten OPV verwendet, muss man
sich nicht über schlechte Daten wundern. Selbst die von Dir
zitierten OPVs, die kaum jünger sind, haben da wohl schon sehr
viel bessere Daten.
Timo N. schrieb:> Im Prototypen> habe schließlich zum Testen zunächst einen LT741 verwendet.
Teste mal einige Minuten lang, bis sich C8 aufgeladen hat.
OPV-Eingänge brauchen immer einen Gleichstrompfad für den Biasstrom.
Ich nutze die Filterwizards vom Hersteller. Der spuckt dann auch die
richtigen OPVs aus in Abhängigkeit von der Anwendung(Raushen/niedriger
Stromvrebrauch usw.)
Für niedriges Rauschen schlägt der
http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/LT1007 z.B. vor.
Probier es mal aus.
Grüße
Ist das tatsächlich ein Filter 3.Ordung?Dachte müssen dann mindestens 2
OPVs sein(Sallen/Key, kaskadiert). ISt die gängiste Art und Weise aktive
Filter zu entwerfen, so meine Recherche.
Gibt es einen Grund für deine Vorgehensweise bzw. wie gehst du denn
überhaupt vor beim Entwurf?
Abgesehen von C8 ist das ein Tiefpass 3. Ordnung. C8 wurde wohl von Hand
als AC Kopplung davor gemacht und prompt der DC Pfad vergessen.
Es gibt auch Varianten für einen einen Filter 4. bzw. 5. Ordnung mit nur
1 OP. Die stellen aber mehr Anforderungen an den OP und sind nicht
sonderlich beliebt.
Der LT1007 wäre wie der OP27 eine klassische Lösung, ist aber nicht
unbedingt die 1. Wahl bei Batteriebetrieb.
Auf den Ausgang bezogen rauscht der SSM2019 wohl auch schon einiges
mehr.
Bei einem 4 kHz Filter stellt sich die Frage nach der Anwendung: Für
Hifi Audio reicht es nicht, und für AM Radio ist die Zeit eigentlich
abgelaufen. Viele ADCs für den Audio Bereich sind auch Sigma delta
Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und +-10 V Amplitude für
einen ADC machen eigentlich auch keinen Sinn.
Timo N. schrieb:> -Maximalamplitude der Signale: +/-10V
Das ist schonmal das k.o. für Batteriebetrieb, da nimmt man besser 3,3V
VCC und max +/-1V.
Bis 5V ist auch die Auswahl an sparsamen OPVs viel größer, als für die
klassischen 36V-Typen.
Oder war die Anmerkung bezogen auf aktive Filter, weil diese beim AAF
halt wegen der hohen internen Abtastrate relativ schlank und passiv
ausgeführt werden?
Gogo schrieb:>> Sigma delta>> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und>> Sicher? Ist das nicht ein weit verbreiteter Irrglaube?
Anti-Aliasingfilter braucht man nur bei abtastenden Wandlern,
z.B. solchen mit stufenweiser Annäherung (Auf Wunsch kann
ich das auch ins englische übersetzen).
Harald W. schrieb:> Gogo schrieb:>>>> Sigma delta>>> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und>>>> Sicher? Ist das nicht ein weit verbreiteter Irrglaube?>> Anti-Aliasingfilter braucht man nur bei abtastenden Wandlern,> z.B. solchen mit stufenweiser Annäherung (Auf Wunsch kann> ich das auch ins englische übersetzen).
Sigma Delta tastet auch ab, nur viel schneller. Praktisch eingebautes
Oversampling. Da kann der AAF kleiner ausfallen (z.B. nur RC Glied),
aber wenn man ihn weglässt hat man Aliasing.
Der Integrator am Eingang eines SD ist Teil der Regelschleife und stellt
keinen Tiefpass im Sinne des AAF dar.
Siehe:
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/using-sigma-delta-converters-1.html
Lurchi schrieb:> Abgesehen von C8 ist das ein Tiefpass 3. Ordnung. C8 wurde wohl> von Hand> als AC Kopplung davor gemacht und prompt der DC Pfad vergessen.
Korrekt, so war es! Im Prototypen war C8 bisher auch tatsächlich noch
nicht verbaut, den hatte ich nur für die AC Kopplung schon im Schaltbild
hinzugefügt, insofern war das Schatbild irreführend. Was mir noch nicht
ganz klar ist: Wie kann ich den DC-Pfad hinzufügen, ohne die
Charakteristik des Filters zu beeinflussen? Ich bin leider noch Neuling,
was die Elektronik angeht, deswegen diese vermeintlich dumme Frage.
> Der LT1007 wäre wie der OP27 eine klassische Lösung, ist aber nicht> unbedingt die 1. Wahl bei Batteriebetrieb.> Auf den Ausgang bezogen rauscht der SSM2019 wohl auch schon einiges> mehr.
Ok.
> Bei einem 4 kHz Filter stellt sich die Frage nach der Anwendung: Für> Hifi Audio reicht es nicht, und für AM Radio ist die Zeit eigentlich> abgelaufen. Viele ADCs für den Audio Bereich sind auch Sigma delta> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und +-10 V Amplitude für> einen ADC machen eigentlich auch keinen Sinn.
Anwendung: Messungen von Druckschwankungen in einer Strömung. Die
relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz. Der ADC sind SAR-ADC, kein
Delta-Sigma, daher das AA-Filter. Delta-Sigma wäre deutlich eleganter
aufgrund der Anforderungen an das Filter. die ADC sind aber von National
Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl,
die benötigt wird)
Den DC Pfad kann man einfach mit einem Widerstand von hinter C8 zur
Masse hinzufügen. Die untere Grenzfrequenz richtet sich dann nach C8 und
dem extra Widerstand. Wenn man damit zu dicht an die Grenzfrequenz ran
kommt wird es komplizierter und das ganze wird zu einer Art
unsymmetrischem Bandpass. Je nach Bias des OPs muss man den Widerstand
wählen.
Der SSM2019 braucht auch schon recht viel Strom und hat bezogen auf den
Ausgang schon recht viel Rauschen. Super Rauscharm muss man also nicht
haben und beim Stromverbrauch ist auch nicht mehr viel zu gewinnen. Je
nach Verstärkung an Eingang sollte man also etwa unter 20 nV/Sqrt(Hz)
und etwa 1-2 mA bleiben. Da hat man viel Auswahl. Gute Lösungen schaffen
etwa 3 nV/Sqrt(Hz) mit 2-3 mA (OPA209, LT1007) oder etwas unter 10
nV/Sqrt(Hz) mit rund 0.5 mA (OP1177, OPA145).
Beim Mikrofon als Sensor ist noch die Frage ob ein dynamisches Mikrofon
da die richtige Wahl ist. Ich hätte eher ein kleines Elektret-mikrofon
gewählt, die sind oft reine Druckempfänger und stören die Umgebung nur
wenig. Der Verstärker wäre da einfacher und i.A. sparsamer.
Lurchi schrieb:> Den DC Pfad kann man einfach mit einem Widerstand von hinter C8> zur> Masse hinzufügen. Die untere Grenzfrequenz richtet sich dann nach C8 und> dem extra Widerstand. Wenn man damit zu dicht an die Grenzfrequenz ran> kommt wird es komplizierter und das ganze wird zu einer Art> unsymmetrischem Bandpass. Je nach Bias des OPs muss man den Widerstand> wählen.
Ich dachte ich hätte das schon probiert in der Simulation, aber
funktioniert,danke.
> Der SSM2019 braucht auch schon recht viel Strom und hat bezogen auf den> Ausgang schon recht viel Rauschen. Super Rauscharm muss man also nicht> haben und beim Stromverbrauch ist auch nicht mehr viel zu gewinnen. Je> nach Verstärkung an Eingang sollte man also etwa unter 20 nV/Sqrt(Hz)> und etwa 1-2 mA bleiben. Da hat man viel Auswahl. Gute Lösungen schaffen> etwa 3 nV/Sqrt(Hz) mit 2-3 mA (OPA209, LT1007) oder etwas unter 10> nV/Sqrt(Hz) mit rund 0.5 mA (OP1177, OPA145).
Besten Dank für die Einordnung, das sind so Dinge für die ich noch kein
Gefühl habe.
> Beim Mikrofon als Sensor ist noch die Frage ob ein dynamisches Mikrofon> da die richtige Wahl ist. Ich hätte eher ein kleines Elektret-mikrofon> gewählt, die sind oft reine Druckempfänger und stören die Umgebung nur> wenig. Der Verstärker wäre da einfacher und i.A. sparsamer.
Die Sensoren sind Elektretmikrofone. SSM2019 hatte ich gewählt, wegen
der einfachen Beschaltung (=> geringer Platzbedarf) und weil er laut
Datenblatt rauscharm ist.
Timo N. schrieb:> Anwendung: Messungen von Druckschwankungen in einer Strömung. Die> relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz. Der ADC sind SAR-ADC, kein> Delta-Sigma, daher das AA-Filter. Delta-Sigma wäre deutlich eleganter> aufgrund der Anforderungen an das Filter. die ADC sind aber von National> Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl,> die benötigt wird)
Hätte noch einen Vorschlag:
Guck dich mal nach Cypress PSoC 3/5 um. Die bringen einen mit und kosten
soviel wie ein ADC(je nach Ausführung). Bzw. Du sparst Dir den Mux, ist
ein ganz heißes Teil und Du kannst noch digital die Signale
nachbearbeiten.
Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte zum PC
- Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für
den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.
Lurchi schrieb:> Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte> zum PC> - Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für> den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.
Stimmt, Problem gelöst;-)
Lurchi schrieb:> So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.
Kommt drauf an. Kann man durchaus auch für einfache Messaufgaben nehmen.
@TO:
Meine Annahme war im übrigen, dass Du mehrere Kanäle messen willst. Weiß
auch nicht wie ich drauf komme;-)
Timo N. schrieb:> die ADC sind aber von National> Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl,> die benötigt wird)
Achf ja hier habe ich es wieder...
Timo N. schrieb:> Die> relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz.
Definier mal genau das Passband und die Anzahl der Kanäle. Dann kann ich
Dir sogar sagen, wie Dein Filter aussehen muss(und sogar die maximal
mögliche Auflösung).
BTW:
ein paar kHz sind sicherlich mit dem PSoC drin.
Bsp. (grad nachgeschaut)
*12-bit Auflösung
*Abtastrate ADC(real)bis zu 41234SPS sind möglich.
*Abtastrate ADC(intern),da DeltaSigma 6,143MHZ SPS
So kannst Du bequem dein AAF passiv auslegen(F/2 ~3MHz).
Die Abtastrate des ADC einfach durch Kanalanzahl, dann weißt du, was Du
tatsächlich abtasten kannst und wie hoch deine max. Signalfrequenz sein
darf. Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.
Gogo schrieb:> Bsp. (grad nachgeschaut)> *12-bit Auflösung
Der DelSig bei den PSoC kann sogar bis 20-bit im Übrigen.
Das war jetzt nur ein Beispiel.
Bin im Übrigen kein Cypress Vertreter. Arbeite mit denen Dingern zurzeit
sehr oft. Auch privat.
Lurchi schrieb:> Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte zum PC> - Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für> den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.
Habe jetzt wohl diesen T gekapert;-)
Äh, einen Rechner musst Du erstmal da stehen haben. Wir wissen ja nicht
was der TO da zur Verfügung hat. Glaub das ist ironisch gemeint, oder?
Auch wenn die Soundkarten viel können. Für Messaufgaben auf
professionellem Niveau wäre das imho nix.
Gogo schrieb:> Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.
Was viele nicht wissen: Aliasing kann man nicht durch
Digitale Filter verhindern. Gefiltert werden muss immer
vor dem (abtastenden) AD-Wandler.
Harald W. schrieb:> Gogo schrieb:>>> Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.>> Was viele nicht wissen: Aliasing kann man nicht durch> Digitale Filter verhindern. Gefiltert werden muss immer> vor dem (abtastenden) AD-Wandler.
Sollte man sich klar machen, richtig.
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