Anti-Aliasing Filter
Начал я погружаться в мир аналоговой электроники и 24-битных АЦП как столкнулся с таким понятием как Anti-Aliasing Filter, который располагают перед входом АЦП.
Представим себе, что у нас есть синусоида, которую АЦП должен оцифровать.
Допустим, её частота - 1 кГц. Тогда, чтоб ее корректно оцифровать, нам нужно считывать ее точки с частотой не менее 2кГц.
2кГц в данном случае - это частота дискретизации.
А утверждение, что она должна быть не менее, чем 2*(частота сигнала) - это теорема Найквиста (или теорема Котельникова)
Чем больше частота дискретизации, тем точнее получим сигнал. Но если она будет меньше, то оцифровка сигнала будет как будто в рандомных точках, как на картинке ниже.
Таким образом получается, что из-за слишком низкой частоты дискретизации, АЦП решил ,что у него на входе какой-то другой сигнал, с меньшей рандомной частотой.
Эту "рандомную" частоту на самом деле легко посчитать, но суть в том, что мы видим не то, что нужно. Этот эффект и называется эффектом смещения (Aliasing).
Ну окей, настроили мы частоту дискретизации больше частоты входного сигнала в 2 раза, а лучше 3, а может и в 4 раза. Зачем тогда какой-то фильтр ставить?
Проблема в том, что помимо основного полезного сигнала, который мы хотим оцифровать, на вход АЦП могут придти всякие шумы и помехи, частоты которых иногда в разы больше, чем частота дискретизации. А из-за эффекта смещения, АЦП будет интерпретировать эти высокочастотные помехи как низкочастотную часть полезного сигнала.
Вот тут и самое время ставить фильтр нижних частот. Первое, что приходит в голову - классический резистор+конденсатор. Дёшево, сердито, просто. Но есть один минус - сопротивление резистора. На этом резисторе будет падать напряжение. Кажется, что токи там небольшие, падение напряжения будет тоже небольшим, а значит им можно пренебречь. Но!
Если, например, мы используем 24-битный АЦП, а входной сигнал где-то около 2.5В, то значение наименьшего значащего бита = около 300 наноВ! И падение напряжение в 1 микроВ - это уже погрешность в 3 значащих бита. Битов там конечно много, но если так разбрасываться ими направо и налево, никакой точности не хватит.
Короче говоря, нам надо, чтоб фильтр имел как можно меньшее сопротивление.
Тут на помощь приходят активные фильтры на ОУ. Если по английски, то Anti-Aliasing Filter. Их преимущество в том, что выходное сопротивление ОУ очень мало, а в идеальном случае - стремится к нулю. А значит и падения напряжения на фильтре тоже стремится к нулю.
Фильтры на ОУ бывают разного вида, с разным уровнем подавления частот и разными расчетами. С расчетами, кстати, у меня не заладилось. То, что я считал и то, что было в симуляторе отличалось как по частоте среза, так и по усилению. Поэтому, наверное лучше перепроверять себя как формулами, так и симулятором.
Подробнее об anti-aliasing теории, расчете получаемых частот, видах фильтров и т.д. можно почитать здесь или здесь. Эти статьи для меня это были самыми понятными и ясными.