Verstärken und Filtern eines Signals mit sehr niedriger Frequenz (Bandbreite von 4 Hz)

Es wäre nützlich, mehr über die Eigenschaften des Signals zu wissen und was Sie damit tun müssen. Sie sagen, es hat eine Bandbreite von 3,5 Hz, aber was ist seine Ober- und Untergrenze? Interessieren Sie sich insbesondere für DC? Welche Impedanz hat das Signal? Was muss das verstärkte Signal antreiben? Welche Ausgangsspannung und damit Verstärkung? Was ist der allgemeine Zweck?

Anhand der spärlichen Informationen, die Sie bereitgestellt haben, ist es schwer zu sagen, wozu Sie den Operationsverstärker benötigen. Wenn das Signal Gleichstrom enthält, ist eine niedrige Offset-Spannung erforderlich, damit sie im Vergleich zum 5-mV-Eingang nicht zu groß wird. Wenn DC keine Rolle spielt, kann auch dies ignoriert werden, solange der Offset nicht dazu führt, dass das verstärkte Signal auf eine der beiden Schienen schneidet. Wenn viel Verstärkung benötigt wird, können Sie durch kapazitive Kopplung zwischen mehreren Verstärkungsstufen die AC-Verstärkung beibehalten, aber den Offset in jeder Stufe auf 0 zurücksetzen.

Ich würde vor die erste Verstärkungsstufe eine kleine Tiefpassfilterung setzen. Es muss nicht dicht sein. Ein oder zwei passive Pole, die um die 20 Hz abrollen, wären in Ordnung. Es schneidet nicht in das Signal ein, hält aber hochfrequentes Rauschen so früh wie möglich aus dem System heraus, sodass es keine nichtlinearen Effekte in der aktiven Schaltung verursacht. Wenn das Ergebnis letztendlich in einen Mikrocontroller geht und dort verarbeitet wird, brauchen Sie nur diese lockere Tiefpassfilterung am Eingang und verstärken dann, um den A / D-Bereich ungefähr zu füllen. Sampeln Sie schnell genug, wie bei 100 Hz (alle 10 ms, ziemlich langsam für ein Mikro), um angesichts des losen Eingangsfilters kein Alias ​​zu erzeugen. Sobald Sie sich im Mikro befinden, können Sie bei Bedarf eine strengere und genauere Filterung anwenden. Auch hier brauchen wir mehr Informationen.

Hinzugefügt:

Sie sagen jetzt, dass das Signal in einen Mikrocontroller mit einem Bereich von 0-5 VA / D geht. Eine Spannungsverstärkung von 100 scheint dann ungefähr richtig zu sein. Bei dieser niedrigen Frequenz kann so ziemlich jeder Operationsverstärker damit umgehen. Die Eingangsoffsetspannung ist wichtig, und es ist nützlich, wenn der Operationsverstärker mit derselben 5-V-Versorgung wie der PIC betrieben werden kann. Ein Microchip MCP603x mit seinem Eingangsoffset von 150 µV klingt wie eine gute Passform. Wie ich oben sagte, setzen Sie eine kleine Tiefpassfilterung vor den Operationsverstärker und führen Sie den Ausgang direkt in den PIC A / D-Pin. Ich würde immer noch etwas Oversampling und zusätzliche Tiefpassfilterung im PIC durchführen, was bei einer Abtastrate von etwa 100 Hz nicht viel CPU beansprucht.

2 hinzugefügt:

Die Tiefpassfilterung kann digital durch den Algorithmus durchgeführt werden:

FILTERN <-- FILTERN + FF(NEU - FILTERN)

FF ist die "Filterfraktion" und steuert die Schwere des Filters. Für FF=0 ist der Filter unendlich stark, da sich sein Ausgang nie ändert. Für FF=1 folgt die Ausgabe einfach der Eingabe ohne Filterung. Brauchbare Werte liegen offensichtlich dazwischen. Um die Berechnung in einem kleinen Mikro einfach zu halten, wählt man normalerweise FF so, dass es 1 / 2^N ist. In diesem Fall wird die Multiplikation mit FF zu einer Rechtsverschiebung um N Bits.

Hier ist zum Beispiel ein Diagramm der Antwort von zwei kaskadierten Filtern mit jeweils FF = 1/4:

Wenn Sie mit 100 Hz abtasten, gibt es etwa 14 Abtastungen für jeden minimal erforderlichen Messwert, um 3,5 Hz zu unterstützen. Aus der Sprungantwort können Sie ersehen, dass sich dieser Filter innerhalb einer halben Periode Ihrer 3,5-Hz-Maximalfrequenz auf etwa 92 % einpendelt. Aus der Impulsantwort können Sie ersehen, dass Glitches um etwa 9 gedämpft werden.

Bei der Verarbeitung realer Signale möchten Sie fast immer überabtasten und dann ein wenig digitale Tiefpassfilterung hinzufügen. Die einzige Ausnahme, auf die ich regelmäßig stoße, ist, wenn das Mikro Impuls für Impuls ein Schaltnetzteil steuert. In diesem Fall benötigen Sie sofortige Messwerte, so gut Sie können, und die Geschwindigkeiten sind hoch. Für andere Dinge, bei denen die obere Frequenz 1 kHz oder weniger beträgt, ist die digitale Tiefpassfilterung ziemlich üblich, um Rauschen zu dämpfen.

Ich wäre geneigt, DSP für die Filterung zu verwenden, bei dieser Frequenz könnten Sie eine gewöhnliche MCU verwenden. Ich würde jedoch einen Microchip dsPIC verwenden, da ich viele Chips habe und das Designtool gekauft habe, was die Implementierung trivial machen würde. Ich würde einen FIR-Filter mit einer geeigneten Fensterfunktion mit den Koeffizienten im Flash-Speicher verwenden, um den RAM-Bedarf zu minimieren. Ein FIR-Filter ist die beste Lösung für diese Anwendung, wenn er richtig implementiert wird.