So funktioniert der Rechner für Anti-Aliasing-Filter
Ein ADC tastet seinen Eingang zu einzelnen Zeitpunkten ab. Alles im Signal oberhalb der halben Abtastrate, der Nyquist-Frequenz, geht nicht verloren, sondern faltet sich als falsche niederfrequente Komponente ins Messband zurück. Ein Filter vor dem ADC muss es vor der Abtastung entfernen. Am einfachsten ist ein Widerstand mit einem Kondensator, oft vor dem ADC-Eingang oder an den Klemmen eines Sensors.
Der Rechner nimmt R und C, oder R und die Grenzfrequenz, und zeigt die −3-dB-Frequenz, die Dämpfung bei der Nyquist-Frequenz im Vergleich zu dem, was ½ LSB verlangt, die Einschwingzeit nach einem Sprung und die Verzögerung. Er behandelt bis zu vier gleiche, durch Puffer getrennte Stufen.
Wie viel Dämpfung reicht
Damit ein Vollaussteuerungssignal bei der Nyquist-Frequenz unter ½ LSB bleibt, muss der Filter es um 20 log(2^−(N+1)) dämpfen: 78 dB bei 12 Bit, 102 dB bei 16 Bit. Eine einzelne RC-Stufe fällt oberhalb ihrer Grenzfrequenz mit 20 dB pro Dekade; mit 1,6 kHz Grenzfrequenz und 10 kHz Abtastung erreicht sie bei 5 kHz nur 10 dB. Der Rechner nennt die fehlende Dämpfung.
In der Praxis sind echte Störungen bei der Nyquist-Frequenz selten vollausgesteuert, und die meisten Schaltungen kombinieren einen einfachen RC-Filter mit Überabtastung und einem Digitalfilter nach dem ADC. Die Zahl zeigt, wie viel der Arbeit der Analogfilter leistet.
Einschwingzeit
Nach einem Sprung am Eingang nähert sich der Filterausgang dem neuen Wert exponentiell. Um innerhalb ½ LSB zu sein, braucht eine Stufe (N + 1) ln 2 Zeitkonstanten: 9 τ bei 12 Bit, 11,8 τ bei 16 Bit. Das zählt, wenn der ADC zwischen Kanälen umgeschaltet wird, wenn der Eingang springt oder wenn die Quelle kurz vor einer Messung eingeschaltet wird. Ein laufend abgetastetes, gefiltertes Signal läuft nur um die Verzögerung nach.
Signalverlust und Phase
Der Filter dämpft auch das Nutzsignal. Bei einem Zehntel der Grenzfrequenz beträgt der Verlust 0,5 %, bei der Grenzfrequenz 29 %. Geben Sie die Signalfrequenz ein, um Amplitudenverlust und Phasenverschiebung zu sehen, und eine Störfrequenz wie 50 oder 60 Hz Netzfrequenz, um zu sehen, wie viel davon übrig bleibt.
Was die Rechnung auslässt
Direkt ohne Puffer verbundene Stufen belasten sich gegenseitig, was die Grenzfrequenz senkt und den Verlauf ändert. Der Abtastkondensator des ADC zieht bei jeder Wandlung Ladung, und der Filterkondensator muss groß genug sein, um sie ohne Sprung zu liefern; das ADC-Datenblatt nennt die höchste Quellimpedanz. Der Rechner für ADC-Auflösung zeigt, wie viele Codes die Sensorspanne nutzt.
Häufige Fragen
Warum nicht eine sehr tiefe Grenzfrequenz wählen?
Eine tiefe Grenzfrequenz entfernt mehr Störungen, verlangsamt aber auch die Reaktion, verzögert das Signal und verkleinert die Amplitude schneller Änderungen. Wählen Sie die Grenzfrequenz nach der schnellsten Änderung, die Sie sehen müssen, und erhöhen Sie dann die Abtastrate, bis die Dämpfung bei Nyquist reicht.
Sind zwei RC-Stufen besser als eine?
Zwei Stufen fallen mit 40 dB pro Dekade statt 20 und dämpfen bei Nyquist weit mehr. Ihre −3-dB-Frequenz ist das 0,64-Fache der Grenzfrequenz jeder Stufe, und sie schwingen langsamer ein.
Brauchen Sigma-Delta-ADCs diesen Filter?
Viel weniger. Ein Sigma-Delta-Wandler tastet weit über der Ausgangsdatenrate ab und filtert digital, daher reicht meist ein einfaches RC mit einer Grenzfrequenz deutlich über dem Nutzband. Prüfen Sie den im Datenblatt empfohlenen Eingangsfilter.