¿Hasta qué punto un ADC resuelve el ruido a lo largo de un circuito analógico?

Tenga en cuenta: aunque esta pregunta involucra EEG , ¡no espero que nadie aquí tenga conocimientos en esta área! ¡Esta es una simple pregunta de electrónica!

Estoy tratando de entender el circuito ideado en este Instructable DIY EEG . Una cosa que me resulta problemática es la cantidad de corrección realizada en cada componente/módulo/paso (e incluso dentro de ciertos componentes):

  • Dos filtros de muesca de 60 Hz, uno en cada "extremo" del circuito, para reducir el ruido a una frecuencia particular (¿realmente necesitamos dos ?!?)
  • Filtro de paso alto para eludir la respuesta galvánica de la piel
  • Filtro paso bajo para ondas > 30Hz
  • Otro filtro de paso alto
  • amplificador operacional

Ahora se me ha ocurrido que este es de hecho un circuito analógico (ondas cerebrales que generan el voltaje de CA inicial) que alimenta los cables de auriculares de 3,5 mm y luego la tarjeta de sonido de la PC para la digitalización. Para mí, tiene sentido digitalizar la señal por adelantado a través de ADC . Si estuviera refactorizando este circuito, podría hacer que se viera como:

  1. Los electrodos de grado médico leen señales analógicas
  2. El amplificador de instrumentación aumenta la señal a un rango significativo, utiliza el potenciómetro mencionado en el Paso 7 para tener en cuenta el rango en la amplitud de la onda alfa
  3. Ejecutar la señal a través de un ADC
  4. Realice una limpieza/transformación final en la señal antes de ingresar a un protector contra sobretensiones (por seguridad)
  5. El protector contra sobretensiones alimenta la señal en la computadora portátil

Aunque estoy interesado en los pensamientos generales de la comunidad sobre la transformación de la señal antes/después del ADC, así como sobre el protector contra sobrevoltajes (y supuse 'puntos de bonificación' para cualquier persona con experiencia real en EEG/sistema médico aquí), pero mi principal preocupación aquí está con el ADC; específicamente:

¿Dónde tiene más sentido colocar el ADC, y el uso de un ADC reduciría la necesidad de todos estos filtros/correcciones de señal enumerados anteriormente (y si es así, cómo)?

Continuando con esta premisa de " ADC-como-solución a las correcciones redundantes ", el autor afirma en una de sus últimas etapas/pasos:

Incluso con todas las etapas de filtrado anteriores, los datos en este punto aún contendrán una buena cantidad de ruido de 60 Hz... Los datos finales aún tendrán una pequeña cantidad de ruido, pero eso se puede ignorar a través del software una vez que se cargan los datos. en la computadora

...pero si digitalizamos la señal antes de que llegue a la computadora, ¿no podemos simplemente dejar que el software haga toda la corrección/limpieza por nosotros (soy ingeniero de software; esa perspectiva me hace feliz)?

Es un Instructable - construido en un protoboard. Si funciona, es un milagro...
@BruceAbbott El instructable en realidad no se ve tan mal, y regularmente hago que los estudiantes construyan amplificadores EOG en placas de prueba sin problemas.
Las señales son lo suficientemente pequeñas como para que se necesite atención. Descubrirá que los circuitos de bricolaje generalmente tienen menos filtrado y ganancia que las unidades comerciales para tratar de reducir los costos, mientras que el equipo de grado médico está hecho para ser confiable. Solo necesita elegir un punto de rendimiento de precio en algún lugar. Todo el filtrado tiene un propósito y es esencial en un entorno eléctricamente ruidoso. No es lo mismo usar un dispositivo alimentado por batería en un parque que usar una unidad en una UCI con cargadores de batería, máquinas de diatermia, desfibriladores, teléfonos móviles, luces fluorescentes, etc.

Respuestas (2)

Las señales de EEG son pequeñas, desde decenas de microvoltios hasta menos de un milivoltio. Si no lo amplifica lo suficiente, no podrá muestrearlo con la resolución adecuada. Aconsejaría no intentar amplificar en un solo paso con un amplificador de instrumentación a un nivel suficiente para la adquisición por ADC.

Debe tener en cuenta los potenciales de compensación de los electrodos. Como regla general, me gusta permitir una compensación de aproximadamente 150 mV. Si va mucho más allá de una ganancia de 20, está casi garantizado que saturará su amplificador de instrumentación.

El enfoque general debe ser una ganancia modesta con un amplificador de instrumentación, seguido de un poco de filtrado de paso alto para eliminar su compensación, luego algunas etapas de amplificador operacional para obtener la ganancia suficiente para grabar por ADC. Esto es, de hecho, lo que se muestra en el paso 2 del instructable.

En cuanto a dónde colocar el ADC y las preocupaciones sobre el ruido, si el ruido es de una frecuencia superior a la mitad de su frecuencia de muestreo, DEBE eliminarlo antes que el ADC o se alias. Si el ruido no es un alias, puede eliminarlo con técnicas de filtrado digital después de la muestra. Dicho esto, a menudo es mejor eliminar el ruido antes de amplificarlo. Bien podría ser más grande que su señal en este caso.

Gracias @Scott Seidman (+1). ¿Te importaría explicar un poco más tu segundo párrafo? ¿Qué son exactamente estos " potenciales de compensación de electrodos " y por qué se ven afectados por la ganancia (especialmente> 20)? ¿Por qué estos "saturarían" el amplificador en estos niveles? ¡Gracias de nuevo!
Son voltajes de corriente continua que se comportan como pequeñas baterías. No se ven afectados por la ganancia, se amplifican como cualquier otra señal. Digamos que tiene un voltaje máximo de 5V que puede emitir desde su amplificador. Si tiene 150 milivoltios de compensación en los electrodos y los amplifica en 100, bueno, ahora la salida sería de 15 voltios, y no puede generar ese voltaje, por lo que se dice que su amplificador está "saturado".
El requisito no es que el ruido esté por debajo de la mitad de la frecuencia de muestreo, sino que esté por debajo de la diferencia entre la frecuencia de muestreo y la frecuencia más alta de interés. Si uno muestrea a 4x la frecuencia más alta de interés, puede eliminar digitalmente el ruido entre 1x y 3x la frecuencia de interés, asumiendo que no ha llevado ninguna etapa al recorte o causado otros problemas similares).
@supercat, buen punto, pero solo estaba hablando de alias, sin tener en cuenta la frecuencia de interés, ya que el alias podría poner el ruido justo donde menos lo desea.

La razón por la que tiene un ruido de 60 Hz es porque el sensor capta mucho y el cable también. Tener un filtro de muesca en cada extremo no va a ser muy diferente de tener dos en un extremo del cable. Tiene razón, sería mejor digitalizar la señal en la fuente, siempre que proteja el sensor de la señalización digital. Si no puede hacerlo, utilice un cable blindado.

Sería mejor:

  1. Amplifique la señal en la fuente, pero tiene que tender cables para un suministro analógico y esto hace que el diseño sea más complejo, la gente de los instructables busca la simplicidad del bricolaje.
  2. Usar cable blindado
  3. Si la señal del sensor no está inundada con 60 Hz, coloque el filtro de muesca después del preamplificador, diseñe para brindarle la atenuación necesaria.
  4. Un ADC cercano a la fuente puede complicar aún más las cosas ya que necesita líneas de datos.
  5. Una vez que haya amplificado y filtrado su señal, necesita un filtro de paso bajo antes del ADC para evitar el alias. Si su señal de interés es de frecuencia más baja, puede mover el polo del filtro más abajo para obtener algo de SNR y limpiar su señal, pero esto también se puede hacer con filtrado digital.
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