ADC Schaltung für Audio Signale

[Sibi]

Hallo!
Ich möchte für meinen FPGA einen Audioeingang bauen. Dazu hab ich mir das passende ADC board geholt. (nennt sich PMODAD1 von Digilent, hat zwei 12bit AD Wandler drauf. ( Schaltplan (http://www.digilentinc.com/Data/Products/PMOD-AD1/PmodAD1_sch.pdf) und ADC Board Beschreibung (http://www.digilentinc.com/Data/Products/PMOD-AD1/Pmod%20AD1_rm.pdf)). Der dort verwendete AD Wandler hat einen Wertebereich von 0-3,3V. Da Audiosignale eine Pegel von +-0,3V haben, brauche ich einen Range Converter. Vom Board bekomme ich eine Referenzspannung von 3,3V ( Das ist die durchgeschleifte Versorgungsspannung des Wandlers) Diesen habe ich mit einem Online Tool (http://www.electronicdeveloper.de/ADCRangeAktiv.aspx) berechnet. Im Anhang findet ihr das Ergebnis mit einmal -0,3V und einmal 0,3V am Eingang.
Jetzt habe ich da noch ein paar Fragen:
1) Benötige ich da noch einen Abblockkondensator? Wenn ja, wo?
2) Welchen OpAmp soll ich kaufen?
3) Kann ich mein Audio Kabel direkt an den Opamp anschließen? Oder benötige ich noch etwas zum Schutz vor Überspannung oder so?

Vielen Dank für eure Hilfe!

[Besserwessi]

Da der AD Wandler nur 12 Bit hat, ist der OP hinsichtlich Rauschen und Verzerrungen nicht so kritisch. Je nach Versorgungsspannung könnte ein Rail-Rail OP sinnvoll sein, der direkt mit den 3,3 V arbeitet. Das vereinfacht auch den Schutz des AD Wandlers vor Überspannung. Eine passende Wahl wäre z.B. ein TS912 oder MCP602 (auch wenn der am Eingang nicht ganz Rail-Rail ist), es gibt aber noch viele andere zur Wahl.

Je nach Audioquelle ist ein Eingangskondensator sinnvoll. Das vereinfacht die Schaltung etwas. Die beiden gezeigten Schaltungen haben z.B. ein Problem, wenn der Ausgangswiderstand der Quelle veränderlich ist, oder dort schon ein Kondensator drin ist. Zusätzlich sollte auch noch eine Begrenzung der Bandbreite da sein, ggf. auch ein extra Anti-Aliasing-filter, falls weniger als 1 MHz Abtastrate genutzt werden sollten.

Ein gewisser Schutz sollte schon sein, in der einfachen Version etwa 2 Diode gegen GND um die Spannung auf +-0,7 V zu begrenzen, und ggf. auch ein HF Filter, um Signal über etwa 100 kHz vom OP fern zu halten, damit man keinen unbeabsichtigten Radioempfang hat. Die Versorgungsspannung des OPs sollte auch noch einen Abblockkondensator haben, auch der weit weniger kritisch ist als beim FPGA. Ggf. wäre auch eine Filterperle oder so sinnvoll, damit man nicht die HF Störungen vom Digitalteil rein bekommt.

[Sibi]

Danke für deine ausführliche Antwort!
Trotzdem hab ich zu deinen Antworten noch ein paar Fragen: ;)

Der AD Wandler hat auf seinem Board für jeden Kanal einen anti-alias Filter. Der wird also nicht mehr benötigt.

Die Audioquelle wird mein Laptop/PC sein. Laut Wikipedia hat ein Line-out um die 100Ohm Impedanz. Wie sollte da der Eingangskondensator dimensioniert sein?

Benötige ich den HF Filter wirklich? Da ich doch nur im Audiobereich abtaste (also mit 48KHz), müssten doch solche Frequenzen verschwinden, oder?

Wie groß sollte der Abblockkondensator sein? Wo genau sollen die Dioden sein? GND und Eingang?

[Besserwessi]

Bei einem Pegel von +-0,3 V für das Signal kann man die Diode als Schutz einfach beide vom Eingang nach GND machen. Das gibt bereits einen guten Schutz.

Der Abblockkondensator für die Versorgung des OPs ist relativ unkritisch - so etwa 10nF bis 10 µF. Es kommt vor allem darauf an externe Störungen raus zu halten, der OP selber stört eher nicht.

Wenn man 100% sicher ist, das keine HF Störungen drauf sind, ginge es auch ohne HF-Filter, aber gerade beim PC muss man schon mit HF Störungen rechnen, wenn auch ohne Programm oder Musik. Es kommt dabei auch nicht auf das Abtasten an, das Problem sind Frequenzen, die zu schnell für den OP sind. An der Eingangsschaltung können die hohen Frequenzen gleichgerichtet werden, und dann als zusätzliche Störung im Signal auftauchen. Kräftige Störer sind da z.B. Handy, Wlan, ggf. der Speichertakt und ähnliches. Mit HF sind hier also wirklich hohe Frequenzen gemeint - der Filter ist entsprechend auch eher ein LC-Fitler aus einer kleinen Induktivität oder Ferriteperle und einem kleinen Kondensator (z.B. 47 pF). In der Einfachsten Form hilft auch schon ein Widerstand und die Kapazität der Schutzdioden und des OP Eingangs.

Der Antialiasing Filter auf dem Board ist für 1 MHz Abtastrate ausgelegt. Wenn man so schnell abtastet geht es auch ohne extra Filter - wenn man die Daten nicht so schnell braucht, sollte man trotzdem mit 1 MHz Wandeln und dann Mitteln um die Datenrate zu reduzieren - ggf. auch einen echten digitalen Filter.

[Sibi]

Hab jetzt mal nen Schaltplan erstellt. Abgesehen von einem fehlendem Filter, ist die Schaltung korrekt? Oder fehlt sonst noch was?

24872

[engineer]

Da fehlt mindesten noch die HF-technische Rückkopplung über den Rs am OP, um Schwingen zu verhindern.
Du kannst hier mal etwas nachgucken:
http://home.arcor.de/juergen.schuhmacher/eaglemicpre2017.html

[Peter(TOO)]

Hallo,

Benötige ich den HF Filter wirklich? Da ich doch nur im Audiobereich abtaste (also mit 48KHz), müssten doch solche Frequenzen verschwinden, oder?

Wenn du Pech hast und die Umstände stimmen, kann deine Schaltung als Radio funktionieren, wenn du das HF-Filter weg lässt.
Dann hörst du einen lokalen Radiosender, den Nachbarn am CB-Funk, den Sprechfunk des Flugzeuges welches gerade über dein Haus fliegt usw.

Das Filter muss möglichst an den Eingang, vor den OpAmp.

Peter(TOO)