¿Por qué el ruido es siempre una señal de alta frecuencia? ¿Qué es entonces la frecuencia de un ruido?

Los "circuitos de acondicionamiento de señales para sensores" generalmente usan amplificadores operacionales y el ruido de voltaje interno del amplificador operacional tiende a tener una respuesta de frecuencia como esta: -

Como puede verse, los ruidos más grandes se encuentran en las frecuencias más bajas. Entonces, ¿por qué concentrarse en las cosas de alta frecuencia?

Digamos que el ruido de voltaje promedio (parque de pelota) entre 0,1 Hz y 1 Hz es de aproximadamente 60 nV por raíz-hercio. El ruido total que esto producirá en ese ancho de banda es: -

$\sqrt{1 - 0.1} \times 60nV$= 57 nV.

¿Qué pasa entre 1 Hz y 10 Hz? Podríamos usar 30 nV por hercio raíz como cifra y calcularíamos el ruido como 90 nV. Entre 10 Hz y 100 Hz (10 nV por raíz-hercio) el ruido sería de unos 95 nV.

Como puede ver, durante una década de cambio en la frecuencia, la potencia real del ruido (sobre ese ancho de banda) aumenta a medida que aumenta la frecuencia.

Ahora digamos que el sensor tiene una respuesta de frecuencia de interés de hasta 10 kHz: cuánto ruido existe en el rango de 10 kHz a 100 kHz, es decir, de cuánto ruido podemos deshacernos (porque no usamos o necesitamos esa parte del espectro)?

la densidad de ruido espectral me parece de aproximadamente 3 nV por hercio raíz del gráfico, por lo que el ruido total producido por este amplificador operacional en el rango de frecuencia de 10 kHz a 100 kHz es: -

$\sqrt{100k - 10k} \times 60nV$= 900 nV.

Es por eso que nos concentramos principalmente en eliminar el ruido de alta frecuencia.

Otra muy buena razón podría ser evitar el alias al alimentar la salida del sensor (amplificada o no) en un convertidor analógico a digital. El ruido por encima de la frecuencia de muestreo de Nyquist (si no se reduce significativamente) se reducirá a la banda base convertida. si no entiende esto, tal vez pueda imaginar una onda sinusoidal submuestreada como esta: -

Imagine que la señal roja es ruido por encima de la frecuencia de muestreo de Nyquist. Cuando se muestrea, puede parecer una onda sinusoidal (azul) que tiene una frecuencia mucho más baja. Esto es alias.

El ruido es una señal no deseada, punto.

Las fuentes típicas de ruido natural tienden a ser de banda ancha, es decir, todas las frecuencias desde CC hasta muy altas.

El ruido eléctrico producido por las resistencias, el ruido de Johnson, tiene un espectro de frecuencia plano desde DC hasta muy alto. Espectro plano significa igual potencia por Hz de ancho de banda.

Considere escuchar una señal de ruido plano. Mirando la potencia de ruido por encima y por debajo (digamos) un A medio de 440Hz. Solo hay 440 anchos de banda de 1 Hz por debajo, pero de 10000 a 20000 (dependiendo de la edad que tenga y de dónde se corte su audición) por encima, por lo que la señal de ruido suena dominada por el silbido de alta frecuencia.

Sin embargo, el ruido producido por los amplificadores operacionales tiende a ser plano por encima de una frecuencia baja, generalmente en la banda de audio, la mayoría de los amplificadores son planos por encima de 1 kHz, donde normalmente se especifica el ruido, pero luego aumenta hacia CC, debido a lo que se denomina ruido de parpadeo. Este es un gran problema para la instrumentación de CC. Los amplificadores operacionales de alta calidad destinados al uso de CC también tendrán especificaciones de ruido en el rango de 0,1 Hz a 10 Hz, y estos números tienden a eclipsar los números de 1 kHz.

Para las señales de CC y las señales de baja frecuencia, la eliminación del ruido por encima de su ancho de banda puede resultar en una reducción de varios órdenes de magnitud en el voltaje del ruido. Por eso se hace.

Otras fuentes de señales no deseadas pueden ser de banda estrecha. El abridor de la puerta del garaje de su vecino, por ejemplo, puede eliminarse con un filtro RF. El zumbido de la red puede causar grandes problemas en el acondicionamiento de la señal, ya que la frecuencia es muy baja y, a menudo, puede estar en el ancho de banda de la señal. Entonces, esto necesita una reducción en la captación de zumbidos, ya que el filtrado no servirá de nada.

"¿Por qué el ruido no puede ser una señal de baja frecuencia o cuál será su frecuencia?" ¿ Quién dice que no puede? Puedo ser cualquier frecuencia , incluidas las frecuencias bajas. Por ejemplo, ¡el ruido rosa tiene más potencia a bajas frecuencias!

Depende del dispositivo qué tipo de ruido produce. Si las señales que desea de un sensor son solo de baja frecuencia, entonces podría filtrar los componentes de mayor frecuencia y obtener una señal "más limpia" y de mejor apariencia. Sacar las frecuencias altas es similar a "promediar", toma el promedio de muchas medidas para obtener una lectura más precisa.