Amplificación y filtrado de una señal de muy baja frecuencia (ancho de banda de 4Hz)

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Buenas noches a todos. Quiero amplificar y filtrar una señal que tiene un ancho de banda de 3.5Hz y es del orden de 5 a 40 milivoltios. Planeo amplificar la señal antes de filtrarla para evitar pérdidas de cualquiera de los componentes de señal útiles en esta señal particularmente pequeña. Solo he trabajado con señales con anchos de banda de 1kHz - 10kHz antes, así que me gustaría obtener algunos consejos sobre los siguientes problemas:

  1. ¿Qué características para el amplificador operacional debo considerar cuando estoy mirando las hojas de especificaciones del amplificador operacional para la etapa de amplificación y por qué? ¿Qué tipos de op-amp debo considerar?
  2. ¿Debo usar un filtro activo o pasivo para la etapa de filtrado?
  3. Si utilizo un filtro activo, ¿a qué características del amplificador operacional debería prestarle atención al consultar las hojas de especificaciones y por qué?
  4. ¿El tipo de condensadores que uso con la etapa de filtrado es importante?

Cualquier ayuda sería muy apreciada.

    
pregunta D Brown

2 respuestas

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Sería útil saber más sobre las características de la señal y qué debe hacer con ella. Usted dice que tiene un ancho de banda de 3.5 Hz, pero ¿cuál es su límite superior e inferior? En particular, ¿te importa DC? ¿Qué impedancia tiene la señal? ¿Qué debe conducir la señal amplificada? ¿Qué voltaje de salida y por tanto ganar? ¿Cuál es el propósito general?

A partir de la escasa información que proporcionó, es difícil saber qué necesita hacer el operativo. Si la señal incluye CC, entonces será necesario un bajo voltaje de compensación para no ser grande en comparación con la entrada de 5 mV. Si DC no importa, incluso esto se puede ignorar siempre que el desplazamiento no provoque que la señal amplificada se enganche en ninguno de los rieles. Si se necesita mucha ganancia, entonces el acoplamiento capacitivo entre múltiples etapas de ganancia le permite mantener la ganancia de CA, pero restablecer el desplazamiento a 0 en cada etapa.

Yo pondría un poco de filtrado de paso bajo antes de la primera etapa de ganancia. No necesita estar apretado. Uno o dos polos pasivos rodando alrededor de 20 Hz estarían bien. No cortará la señal, pero esto mantendrá el ruido de alta frecuencia fuera del sistema tan pronto como sea posible para que no cause efectos no lineales en el circuito activo. Si el resultado finalmente ingresará en un microcontrolador y se procesará allí, entonces todo lo que necesita es este filtrado de paso bajo suelto en la entrada, luego amplifique para llenar aproximadamente el rango A / D. Muestra lo suficientemente rápido, como a 100 Hz (cada 10 ms, bastante lento para un micro), para no dar un alias dado el filtro de entrada suelto. Una vez en el micro, puede aplicar un filtrado más estricto y preciso, si es necesario. Una vez más, necesitamos más información.

Añadido:

Ahora dice que la señal entrará en un microcontrolador con un rango de 0-5 V A / D. Una ganancia de voltaje de 100 parece ser correcta en ese momento. Casi cualquier opamp puede manejar eso en esta baja frecuencia. El voltaje de compensación de entrada será importante, y será útil si el opamp puede funcionar con la misma fuente de 5V que el PIC. Un Microchip MCP603x con su desplazamiento de entrada de 150 µV suena como un buen ajuste. Como dije anteriormente, coloque un poco de filtro de paso bajo delante del opamp y ejecute la salida directamente en el pin PIC A / D. Todavía haría un exceso de muestreo y un filtro de paso bajo adicional en el PIC, lo que no requerirá mucha CPU a 100 Hz o más.

Agregado 2:

El filtrado de paso bajo se puede realizar digitalmente mediante el algoritmo:

FILT < - FILT + FF (NUEVO - FILT)

FF es la "fracción de filtro" y controla la pesadez del filtro. Para FF = 0, el filtro es infinitamente pesado ya que su salida nunca cambia. Para FF = 1, la salida simplemente sigue la entrada sin filtrado. Los valores útiles son, obviamente, en el medio. Para mantener el cálculo simple en un micro pequeño, usualmente elige FF para que sea 1/2 ^ N. En ese caso, la multiplicación por FF se convierte en un desplazamiento a la derecha por N bits.

Por ejemplo, aquí hay un gráfico de la respuesta de dos filtros en cascada, cada uno con FF = 1/4:

Si realiza una muestra a 100 Hz, hay aproximadamente 14 muestras por cada lectura mínima necesaria para admitir 3.5 Hz. Desde la respuesta al paso, puede ver que este filtro se asienta en aproximadamente un 92% dentro de un ciclo de 1/2 de su frecuencia máxima de 3.5 Hz. Desde la respuesta al impulso se puede ver que las fallas se atenuarán en aproximadamente 9.

Casi siempre, cuando procesa señales del mundo real, desea remuestrear y luego agregar un poco de filtrado digital de paso bajo. Casi la única excepción con la que me encuentro regularmente es cuando el micro está haciendo el pulso por control de pulso de una fuente de alimentación de conmutación. En ese caso, necesita lecturas instantáneas lo mejor que pueda administrar y las velocidades son altas. Para otras cosas donde la frecuencia superior es de 1 kHz o menos, el filtrado digital de paso bajo es una práctica bastante estándar para atenuar el ruido.

    
respondido por el Olin Lathrop
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Me sentiría inclinado a usar DSP para el filtrado, a esa frecuencia podría usar una MCU normal. Sin embargo, usaría un dsPIC de Microchip, ya que tengo muchos chips y he comprado la herramienta de diseño, lo que haría que la implementación fuera trivial. Usaría un filtro FIR con una función de ventana apropiada, con los coeficientes en la memoria flash, para minimizar el requisito de RAM. Un filtro FIR es la mejor solución para esta aplicación, si se implementa correctamente.

    
respondido por el Leon Heller

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