Вообще-то у ATMega16 не рекомендуется обрабатывать сигналы в полосе более 4 кГц из-за нелинейных эффектов в канале усиления.
Так, что выбирая частоту среза 4 кГц Вы сильно низите требования к фильтру.

Дальше:
1. Частоту выборки встроенного АЦП можно повысить, если пожертвовать разрядностью ( точностью ).
2. Требование -60 дБ на частоте Найквиста для реальных сигналов сильно завышено, т.к. спектр физических сигналов ( звук, голос, сейсмограммы...) обычно имеет убывающий характер от частоты.
Так, если допустить, что на частоте Найквиста мешающий сигнал имеет уровень -20 дБ от полезного, требования к фильтру: -40 дБ, а это даже на ОУ легко реализуемо.

Ок, значит будет входной сигнал до 4кГц. Рассматриваю микросхемы Максим:

ФНЧ восьмого порядка:
Баттреуорта (MAX291/MAX295)
Бесселя (MAX292/MAX296)
Управление с помощью тактового сигнала диапазоном боковых частот фильтра:
От 0.1 Гц до 25 кГц (MAX291/MAX292)
От 0.1 Гц до 50 кГц (MAX295/MAX296)
Не требуется подключения внешних резисторов или конденсаторов
Работа с встроенным или с внешним тактовым генератором
Отношение тактовой частоты к боковой частоте фильтра:
100:1 (MAX291/MAX292)
50:1 (MAX295/MAX296)
Низкий уровень шумов: -70 дБ THD + Noise (тип)
Уни/биполярное питание +5 В/±5 В
Незадействованный ОУ для реализации сглаживающего фильтра или фильтра подавления тактовых шумов
Корпуса 8-pin DIP и SO


Склоняюсь к варианту с MAX295 (в отличие от MAX291 есть в местном магазине), интересует однополярное включение, только вот не пойму, почему входной сигнал от 1 до 4В (рис.3)?

И еще вопрос, так ли необходимы ФНЧ до и после этой микросхемы? Тут вроде как есть "незадействованный ОУ для реализации сглаживающего фильтра" (рис.4.).


В принципе из 10 бит АЦП программно я сохраняю только 8, т.к. суммарная системная погрешность АЦП в ATmega16 составляет две младшие единицы, да и программно легче реализовывать. Не знаю, можно ли считать АЦП в этом случае 8-ми разрядным (20*log(256)=48,1 дБ)?

Да.
Смотрите, схема на переключаемых конденсаторах по физике это модулятор. Для избежания интермодуляционных искажений надо ограничить входной спектр. Полоса отчуждения - от частоты среза Вашего сигнала до (тактовая частота минус частота среза). Т.е. от 7.5кГц до (50*7.5-7.5)=367.5кГц. Это дает полосу отчуждения в, примерно, 5.5 октав. Один порядок Баттерворда это 6дБ на октаву. Легко можно определить, что 2-й порядок с лихвой выполняет нужную фильтрацию. Это оценка, более точные результаты легко считаются. Теперь выход фильтра. Опять, на выходе Вашего фильтра богатый спектр. Для простоты - около гармоник основной тактовой частоты сосредоточены по две боковые полосы +/-7.5кГц (для диплома это сойдет). Легко подсчитывается полоса отчуждения и определяется порядок фильтра перед АЦП. Замечу, что после этого (дополнительного) фильтра перед АЦП должна стоять еще RС-цепочка для обеспечения "резервуара" для прыгающего конденсатора в АЦП ("резервуар" должен быть достаточен для поддержания "постоянного" напряжения для АЦП во время взятия отсчета и быстро перезаряжаться за время между отсчетами т.е. следовать за полезным сигналом с допустимой ошибкой к моментам следующих отсчетов). Если нужна методика расчета могу предоставить.
Вообще интересно, что это за ВУЗ такой, где такой банальной информации не дают. Или это по другой специальности?

Vin = -1..+4 V;

>Не знаю, можно ли считать АЦП в этом случае 8-ми разрядным
Да.

Для полосы в 4 кГц при частоте дискретизации 15 кГц достаточно ФНЧ Баттерворта 4-го порядка.
Это тривиальная вещь и не надо на переключаемых, если только хочется с ними ознакомиться.



Скорее всего в большинстве случаев дают самые начальные теоретические основы.
Если дают

Ну да, если бы входной сигнал был озвучен ТС, то все допущения (от общего случая) можно было бы найти. А так приходится гадать, что бы такое предложить, чтобы решить все проблемы ТС.

Он его озвучил - от стандартного генератора шума
Полоса 4 кГц ограничена по линейности встроенным усилителем в АЦП ATMega*

Я учусь заочно, материал дают очень краткий, т.к. времени дается мало. Работаю вообще не по этой специальности. Я подходил к своему руководителю дипломной работы, тот сказал, что у него сейчас нет времени вникать, типа когда будут законных 3 мес. на дипломную подготовку тогда и будет разговор. За 3 мес. я не уверен, что осилю ТЗ, ПЗ, чертежи и сам прототип устройства (да и отпуск в 3 мес. мне вряд ли вообще дадут). Так что весь материал приходится искать самому.


Разве не 3дБ?



Я посмотрел по ДШ, вроде как входной сигнал до 4В. А у меня диапазон до 5В, так что не совсем подходит мне эта микросхема...



20*log(256)=48,1 дБ => Подставляю в FilterPro данные следующим образом:

Gain (A0) = 1V/V 0dB
Passband Frequency (fc) = 4000Hz
Allowable Passband Ripple (Rp) = 3dB (3дБ при Баттерворте)
Stopband Frequency (fs) = 15000Hz
Stopband Attenuation (Asb) = -45dB (Уменьшил до 45 т.к. при 48 программа генерит уже 5-ый порядок)

Прилагаю файл с фильтром и графиком, все ли верно получается?

Да, вроде нормально.
Только ряд лучше взять E24 ( 5% )

6 dB для Баттерворта. Читайте теорию (или проверьте хотябы по полученной характеристике. характеристика в полосе задерживания линейная в логарифмическом масштабе и проверяется все тривиально: разница двух затуханий при шаге по частоте 2 раза делится на порядок фильтра).

>Allowable Passband Ripple (Rp) = 3dB

Если у Вас метрологически нормируемое устройство, то неравномерность 3 дБ в полосе пропускания очень плохо, т.к. Вы будете с каждым новым экземпляром
фильтра иметь новую АЧХ, которую придется поверять.

При АЦП 8р и допустимой дополнительной погрешности 1 мзр Вы обязаны иметь погрешность АЧХ фильтра в желаемом диапазоне не хуже 0.4%.

При рекомендованных ( по доставабельности ) 5% номиналах такая погрешность обеспечивается в дипазоне от 0 до примерно 1500 Гц, а дальше "плавает", имея ожидаемый спад на 3 дБ на частотет среза 4 кГц.

При использовании рядов E48 ( 2% ) и лучше, плоская АЧХ достигает 2300 Гц.
В реальности все еще будет плавать по температуре.

To Stalker27

Полагаю, что для диплома это не надо, но надо понимать и быть готовым к вопросам. Вопрос чувствительности параметров фильтров к разбросу параметров компонентов в тех литературе рассмотрен. В простейшем случае можно симулятором получить разброс характеристик при заданном разбросе параметров компонентов. Я, например, пользуюсь Pspice-ом и там есть метод Монте-Карло.
Конечно, для получения меньшего разброса параметров надо выбирать соответствующую структуру фильтра (если это допустимо в рамках проекта), компоненты с меньшим (доступным) разбросом. Для резисторов разброс в 1% - доступен. Для конденсаторов (малых габаритов, SMD) даже 5% не всегда. При желании получить меньший разброс параметров фильтра фильтр надо пересчитать. В Вашем случае, например, увеличив величины всех резисторов в 10-100 раз и во столько же раз уменьшить величины конденсаторов (в одно и то же число раз). Параметры фильтров остаются теми же. При рассчетах проверять наличие компонентов с нужными параметрами или применять компромисс. Можно еще сильнее уменьшить разбросс параметров фильтров, но, то что описано делается легко и непринужденно. Дальнейшие шаги - сложнее и дороже. Увлекаться нельзя: нижним пределом для конденсаторов НЧ (до частот 100-300 кГц) фильтров я считаю 47-100 пФ из-за вклада паразитных емкостей. Верхним пределом для резисторов - 200К-300К (из-за растущего влияния входных токов операционников и (в общем случае), следовательно, сдвига (Offcet) уровня. (Компромисс, понимаешь) Хотя операционники с входным током даже пикоамперы (для выбранных частот) не проблема.
Успехов.
П.С. Похоже Stalker27 Козерог по гороскопу - загодя стелит газетку где можно упасть.

Да ничего - я тоже Козерог

P.S.
Для случая ТС и метрологической ( с учетом всех сделанных замечаний ) АЧХ, будет использование:
- структура Сален-Ки ( меньше влияние разброса )
- тип - Чебышев, 0.1 дБ
- компоненты 2% ( Е48 )

Схема:


АЧХ в цифрах:


P.P.S.
Для реализации - обратить внимание на требование по GWB ОУ ( усиление * полоса = const )
Поскольку фильтр с усилением 1, то ОУ должны иметь частоту единичного усиления не менее, чем указано на схеме.

Большое спасибо за ответы. Нет ли у кого примера математического расчета ФНЧ Чебышева по схеме Саллена-Кея? Как определить порядок фильтра вроде бы нашел (в приложение).

Нет ли необходимости при расчете указывать не 15000Гц, а 7500Гц? Все таки АЦП будет производит преобразования с частотой 15кГц, не внесет ли это какой-либо погрешности? В ДШ на МК написано, что «на вход АЦП не вносились частоты выше fАЦП/2». Имеется ввиду частота работы АЦП или частота преобразования?

Я собираюсь выводить записанный сигнал через шим, как это сделано в апноуте AVR335: Digital Sound Recorder with AVR and Serial DataFlash. В этом случае я могу на выход поставить тот же ФНЧ, что и на входе АЦП?

Справочник по активным фильтрам. Джонсон


К фильтру после ШИМ другие требования.

В аппноте из Вашего поста все хорошо описано по работе с PWM.