¿Cómo se elige la frecuencia de corte de un filtro de paso bajo para entrada analógica?

Me gustaría leer una entrada analógica del sensor de temperatura o del sensor de presión que mida el valor de un proceso lento con, digamos, 1 segundo de tiempo de subida. Sé que usar un filtro de paso bajo es un enfoque común al diseñar un circuito para leer valores analógicos, sin embargo, no estoy seguro de cuál sería el enfoque para elegir la frecuencia de corte.

Sé que la respuesta sería que depende del tipo de ruido que esté esperando, por lo tanto, además, me gustaría proporcionar algunos detalles más.

  1. Digamos que nos gustaría filtrar las frecuencias de radio comunes. ¿Cuál sería la frecuencia de corte común en este caso? ¿Sería suficiente una frecuencia de corte de 1 MHz?

  2. ¿Qué pasa si el sistema está ubicado cerca de cables vivos con una distancia de 10 cm y corrientes relativamente altas de 1-3A? Supongo que también nos gustaría filtrar los 50-60 Hz. ¿Cuál sería la frecuencia de corte razonable en este caso? ¿Sería suficiente una frecuencia de corte de 10 Hz?

Elegir esas frecuencias de corte bajas trae sus propios problemas. El filtro de paso bajo introducirá tiempos de subida lentos y evitará la medición de dinámicas rápidas en los procesos. Un filtro de paso bajo común de 10 Hz tendría un tiempo de subida de ~10 ms, lo que significa que necesitaríamos al menos 50 ms antes de medir un valor analógico estable en una respuesta de paso. Dado que mi proceso es bastante lento, puedo introducir cómodamente un tiempo de muestra de 500 ms.

¿Es realmente necesario filtrar el ruido de 50 Hz con un filtro de paso bajo? ¿Puedo filtrar solo el espectro de RF con un filtro de paso bajo e introducir un filtro digital adicional (filtro de ventana de software) para filtrar los 50 Hz? ¿Sería este un mejor enfoque?

Sé que la capacitancia de entrada del ADC también debe considerarse para una medición precisa, pero no creo que sea realmente necesario con tiempos de muestreo tan bajos de 0,5 s. Pero no estoy 100% seguro.

Phill, este tipo de problemas (muy cerca de DC) tienden a tener problemas de ruido 1/f únicos y significativos (que están correlacionados y pueden solucionarse con un muestreo doble correlacionado). Cortar y luego seguir eso con un filtro de paso bajo es un enfoque, también. Solo un filtro de paso bajo es probablemente una de las peores (pero obvias) formas de abordar el problema. Pero entonces, los detalles importan. Así que tampoco puedo sugerir una respuesta brillante. Creo que se necesitaría una exposición completa de su entorno y no solo de los sensores para saber mejor qué sugerir.

Respuestas (3)

Si desea muestrear a intervalos de 500 ms, entonces su frecuencia de muestreo es de 2 Hz y debe diseñar un filtro de paso bajo con un corte de menos de 1 Hz para evitar el alias.

Sin embargo, daría la vuelta a esta lógica y, en cambio, preguntaría qué tan rápido puede muestrear su hardware. ¿Tiene un reloj de muestreo en su ADC? Si es así, elegir una tasa más alta (tal vez 1 KHz) y luego usar un filtro de paso bajo digital de 1 Hz (que puede ser muy nítido y tener un mayor rechazo que un filtro analógico) combinado con un filtro de paso bajo analógico de 10 Hz le daría mucho más. mejor rechazo de ruido que tratar de rechazar todo con un solo filtro.

Por el contrario, si se trata de un ADC en bruto sin reloj que solo lee periódicamente, entonces un filtro digital no funcionará bien. En ese caso, probablemente desee un paso bajo de 1 Hz.

La velocidad del hardware del ADC no es un problema. Usaré un STM32 con un ADC con máx. velocidad de reloj de 42 MHz. Pensé que solo usaría las muestras cada 0,5 s, pero creo que sería mejor si uso todas las muestras y solo uso un filtro digital con una ventana de 0,5 s. ¿Estaría de acuerdo en que sería mejor usar el filtro de paso bajo solo para frecuencias de RF y rechazar el ruido de 50 Hz usando un filtro digital?
@PhillDonn Ese es un ADC muy rápido para una aplicación como esta. A menudo, los ADC de clase MHz tienen una tasa de muestreo mínima. Si es así tendrás que utilizar al menos esa tasa.
El ADC tiene registros incorporados para controlar la frecuencia de muestreo a través del software. Estaba pensando más en 1kSps o 10kSps con un filtro de paso bajo de 100Hz o 1kHz. Con estos registros creo que puedo bajar hasta 42kSps. Si quiero ir aún más bajo, puedo hacer que la interrupción de muestreo del ADC sea impulsada, por lo tanto, el tiempo de muestreo en el sentido de la capacidad del hardware tiene un rango completo, por lo que no creo que sea un problema. Estoy más desconcertado si hay o no algunos filtros de paso bajo estándar para filtrar el ruido de RF y cuáles son sus frecuencias de corte. ¿Cómo se elige la frecuencia de corte?
No hay filtros de paso bajo estándar, usted elige uno para el ancho de banda que necesita. No hay forma de tener un filtro que funcione para cada frecuencia de muestreo posible.

Cuanto menor sea la frecuencia de corte, mejor. Si desea solo valores de CC, puede usar un supercondensador del orden de algunos Faradios.

Un supercondensador de 1 F, incluso si fuera perfectamente lineal y evitara las fugas (no hace estas cosas ya que está optimizado para el almacenamiento de energía en lugar del procesamiento de señales), presentaría una frecuencia de corte inaceptablemente baja con cualquier tipo de resistencia sensible (por ejemplo, 100 ohmios -> 1,5 milihercios). La señal es "bastante lenta", pero su filtro propuesto es excesivo y hará que la variación de esa señal no se pueda medir. "1s de tiempo de subida" y "solo CC" no son compatibles.
Sí, pero la baja frecuencia de corte elimina cualquier componente de CA, que es lo que quiere el operador.
Sí, y también elimina el componente de CA a la frecuencia de interés.
Mi pregunta era más propensa al enfoque de elegir la frecuencia de corte en mi caso, en lugar de elegir un filtro con la frecuencia de corte más baja posible.
Sí, pero el "1 s de tiempo de subida" introduce algún componente de CA que es lo que también quiere el OP.

Si desea cancelar cualquier CA, solo vea mi respuesta a continuación. Si solo desea un poco de CA de una frecuencia específica, debe usar un filtro de paso de banda con un factor Q alto de su frecuencia de resonancia deseada.

Lo siento, pero esta respuesta tiene tan poco sentido como la anterior. Y el problema parece estar en el uso frívolo de los términos AC y DC. ¿5V cambia por 0.5V durante 1 hora como CC o CA? ¿Qué tal 1 minuto? ¿1 segundo? Si OP quiere leer valores variables del sensor de temperatura, automáticamente significa que hay un ancho de banda de señal que tiene que pasar. Además, ¿"resonante"? ¿Qué tiene que ver la resonancia (amplificación) con el filtrado (atenuación)? Los llamados filtros resonantes no están en la pregunta OP. Realmente debe estar atento al significado de los términos técnicos antes de usarlos.
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