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

Sería útil saber más sobre las características de la señal y lo que hay que hacer con ella. Dices que tiene un ancho de banda de 3,5 Hz, pero ¿cuál es su límite superior e inferior? En particular, ¿te importa DC? ¿De qué impedancia es la señal? ¿Qué debe conducir la señal amplificada? ¿Qué voltaje de salida y por lo tanto ganancia? ¿Cuál es el propósito general?

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

Pondría un poco de filtrado de paso bajo antes de la primera etapa de ganancia. No hace falta que quede apretado. Uno o dos polos pasivos girando alrededor de 20 Hz estarían bien. No cortará la señal, pero esto mantiene el ruido de alta frecuencia fuera del sistema lo antes posible para que no cause efectos no lineales en el circuito activo. Si el resultado finalmente irá a un microcontrolador y se procesará allí, entonces todo lo que necesita es este filtrado de paso bajo suelto en la entrada, luego amplificar 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 alias dado el filtro de entrada flojo. Una vez en el micro, puede aplicar un filtrado más estricto y preciso, si es necesario. Una vez más, necesitamos más información.

Agregado:

Ahora dice que la señal irá a un microcontrolador con un rango de 0-5 VA/D. Una ganancia de voltaje de 100 parece ser adecuada en ese momento. Casi cualquier opamp puede manejar eso a esta baja frecuencia. El voltaje de compensación de entrada será importante y será útil si el opamp puede funcionar con el mismo suministro de 5V que el PIC. Un MCP603x de Microchip con su compensación de entrada de 150 µV suena como una buena opción. Como dije anteriormente, coloque un poco de filtrado de paso bajo frente al amplificador operacional y ejecute la salida directamente en el pin PIC A / D. Todavía haría un poco de sobremuestreo y filtrado de paso bajo adicional en el PIC, que no requerirá mucha CPU a una frecuencia de muestreo de 100 Hz o más.

Añadido 2:

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

FILTRO <-- FILTRO + FF(NUEVO - FILTRO)

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 a la entrada sin filtrado. Los valores útiles están obviamente en el medio. Para mantener el cálculo simple en un pequeño micro, generalmente elige FF para que sea 1 / 2 ^ N. En ese caso, la multiplicación por FF se convierte en un desplazamiento a la derecha de N bits.

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

Si muestrea a 100 Hz, hay alrededor de 14 muestras por cada lectura mínima necesaria para admitir 3,5 Hz. A partir de la respuesta escalonada, puede ver que este filtro se asienta en aproximadamente el 92 % dentro de 1/2 ciclo de su frecuencia máxima de 3,5 Hz. A partir de la respuesta al impulso, puede ver que los fallos se atenuarán en aproximadamente 9.

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

Me inclinaría por usar DSP para el filtrado, a esa frecuencia podría usar una MCU ordinaria. Sin embargo, usaría un Microchip dsPIC, ya que tengo muchos chips y compré la herramienta de diseño, lo que haría que la implementación fuera trivial. Usaría un filtro FIR con una función de ventana adecuada, 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.