Усиление и фильтрация очень низкочастотного сигнала (полоса пропускания 4 Гц)

Было бы полезно узнать больше о характеристиках сигнала и о том, что с ним нужно делать. Вы говорите, что у него полоса пропускания 3,5 Гц, но каковы ее верхний и нижний пределы? В частности, вас волнует DC? Какой импеданс у сигнала? Чем должен управлять усиленный сигнал? Какое выходное напряжение и, следовательно, коэффициент усиления? Какова общая цель?

Из предоставленной вами скудной информации трудно сказать, для чего вам нужен операционный усилитель. Если сигнал включает в себя постоянный ток, то необходимо низкое напряжение смещения, чтобы оно не было большим по сравнению с входным сигналом 5 мВ. Если постоянный ток не имеет значения, то даже это можно игнорировать, если смещение не приводит к тому, что усиленный сигнал ограничивается какой-либо шиной. Если требуется большое усиление, то емкостная связь между несколькими каскадами усиления позволяет сохранить усиление по переменному току, но сбрасывает смещение на 0 для каждого каскада.

Я бы поставил небольшую фильтрацию нижних частот перед первым каскадом усиления. Он не должен быть тесным. Один или два пассивных полюса с частотой около 20 Гц были бы в порядке. Он не будет врезаться в сигнал, но он как можно раньше предотвратит попадание высокочастотного шума в систему, чтобы он не вызывал нелинейных эффектов в активной цепи. Если результат в конечном итоге попадет в микроконтроллер и будет обработан там, то все, что вам нужно, это свободная фильтрация нижних частот на входе, а затем усиление, чтобы примерно заполнить диапазон аналого-цифрового преобразования. Сэмплируйте достаточно быстро, например, на частоте 100 Гц (каждые 10 мс, довольно медленно для микро), чтобы не накладываться с учетом слабого входного фильтра. Попав в микро, вы можете применить более жесткую и точную фильтрацию, если это необходимо. Опять же, нам нужно больше информации.

Добавлен:

Теперь вы говорите, что сигнал будет поступать в микроконтроллер с диапазоном 0-5 VA/D. Прирост напряжения в 100 выглядит правильным. Практически любой операционный усилитель может справиться с этим на такой низкой частоте. Входное напряжение смещения будет важным, и будет полезно, если операционный усилитель может работать от того же источника питания 5 В, что и PIC. Microchip MCP603x с его входным смещением 150 мкВ звучит как хорошая подгонка. Как я сказал выше, поместите небольшую фильтрацию нижних частот перед операционным усилителем и направьте выход прямо на вывод PIC A/D. Я бы все же сделал некоторую передискретизацию и дополнительную фильтрацию нижних частот в PIC, что не потребует много ресурсов процессора при частоте дискретизации 100 Гц или около того.

Добавлено 2:

Фильтрация нижних частот может быть выполнена в цифровом виде по алгоритму:

ФИЛЬТР <-- ФИЛЬТР + FF(НОВЫЙ - ФИЛЬТР)

FF — это «фракция фильтра», определяющая плотность фильтра. При FF=0 фильтр бесконечно тяжелый, поскольку его выходные данные никогда не меняются. Для FF=1 вывод просто следует за вводом без фильтрации. Полезные значения, очевидно, находятся посередине. Чтобы сделать вычисления простыми в маленьком микро, вы обычно выбирали FF так, чтобы это было 1/2^N. В этом случае умножение на FF становится сдвигом вправо на N бит.

Например, вот график отклика двух каскадных фильтров, каждый с FF=1/4:

Если вы производите выборку с частотой 100 Гц, то на каждое минимально необходимое показание для поддержки 3,5 Гц приходится около 14 выборок. Из переходной характеристики вы можете видеть, что этот фильтр устанавливается примерно на 92% в течение 1/2 цикла от вашей максимальной частоты 3,5 Гц. Из импульсной характеристики видно, что глитчи будут ослаблены примерно на 9.

Почти всегда при обработке сигналов реального мира вы хотите передискретизировать, а затем добавить небольшую цифровую фильтрацию нижних частот. Единственное исключение, с которым я регулярно сталкиваюсь, - это когда микроконтроллер выполняет импульсное управление импульсным источником питания. В этом случае вам нужны мгновенные показания, насколько вы можете управлять, и скорости высоки. Для других вещей, где верхняя частота составляет 1 кГц или меньше, цифровая фильтрация нижних частот является довольно стандартной практикой для ослабления шума.

Я бы предпочел использовать DSP для фильтрации, на такой частоте можно было бы использовать обычный MCU. Однако я бы использовал Microchip dsPIC, поскольку у меня много микросхем и я купил инструмент для проектирования, что сделало бы реализацию тривиальной. Я бы использовал КИХ-фильтр с соответствующей оконной функцией с коэффициентами во флэш-памяти, чтобы свести к минимуму требования к ОЗУ. КИХ-фильтр — лучшее решение для этого приложения, если он правильно реализован.