Устранение постоянной составляющей сигнала Опции

[Aldaris]

Здравствуйте!
Нужно убрать из сигнала постоянную составляющую. Хочется заложить хороший бюджет погрешностей в систему. Поэтому удалять нужно чисто.
На вход системы приходит отрицательный сигнал, изменяющийся в пределах 20мВ около значения примерно -300мВ. Шумы сигнала порядка 100мкВ. Нужно гарантированно сохранить частоты вплоть до 0,1 Гц. Сразу после предполагаемого фильтра планируется поставить операционник.
Какие варианты для фильтра предложите?

[Lmx2315]

..разделительный конденсатор ?

[Aldaris]

..разделительный конденсатор ?

Тоже так сначала думал. Сейчас приведу расчеты.
Будем считать, что после конденсатора сигнал идет на вход ОУ. Сопротивление входа примем равным 10МОм.
Для погрешности, сравнимой с шумами (100мкВ) на частоте 0,1Гц, требуется конденсатор, сопротивление которого на частоте 0,1Гц было бы в 5*10^3 раз меньше входного сопротивления ОУ. Это сопротивление в нашем случае будет равно 2кОм. Значит его емкость 800 мкФ. Чтобы схема вышла на режим (конденсатор зарядился до 300мВ), требуется время, оцениваемое постоянной времени RC-цепи. В нашем случае время будет равно 10^7[Ом] * 8*10^(-4)[Ф] = 8000c или больше двух часов.
Где я не так посчитал?

[Lmx2315]

..перед операционниками конденсатор всегда ставят обязательно в паре с резистором на землю. И расчитывают постоянную времени уже с его учётом.

[xemul]

Где я не так посчитал?

Везде. Входное сопротивление ОУ учитывается в более других расчётах.
Коль Вы помянули бюджет погрешностей, огласите его примерный/желаемый расклад.

[Aldaris]

Везде. Входное сопротивление ОУ учитывается в более других расчётах.
Коль Вы помянули бюджет погрешностей, огласите его примерный/желаемый расклад.

Требуется различать напряжения разницей в 100мкВ, т.е. точность 0,5%

..перед операционниками конденсатор всегда ставят обязательно в паре с резистором на землю. И расчитывают постоянную времени уже с его учётом.

Тогда по моей логике получается, что расчетная емкость конденсатора должна увеличиться в разы (во столько же раз, во сколько сопротивление дополнительного резистора, включенного параллельно с входным сопротивлением ОУ, меньше просто входного сопротивления ОУ). А в первом расчете емкость и так нехилая вышла - 800мкФ.

[Tanya]

требуется время, оцениваемое постоянной времени RC-цепи. В нашем случае время будет равно 10^7[Ом] * 8*10^(-4)[Ф] = 8000c или больше двух часов.
Где я не так посчитал?

Даже больше - в 8 примерно раз (ln(3000)) постоянных времени. Это для установления с точностью (Вашей) 100 мкв.

[Lmx2315]

..тогда измерять среднее значение , формировать его и вычитать потом на операционнике из вашего сигнала.
А можно оцифровывать (сместив относительно нуля вверх) - вычитать в цифре , потом переводить в аналог и дальше на обработку.

[xemul]

Требуется различать напряжения разницей в 100мкВ, т.е. точность 0,5%

Тогда просто поставьте 16-битный АЦП, постоянную составляющую уберёте в цифре.
Словосочетание "бюджет погрешностей" предполагает чуть более углублённое представление и о погрешностях, и о точности.

[Aldaris]

Тогда просто поставьте 16-битный АЦП, постоянную составляющую уберёте в цифре.

На самом деле конечной целью является оцифровка сигнала. И ничего не мешает поставить АЦП разрядностью и скоростью побольше и упростить всю схему в несколько раз. Интересно было узнать, возможно ли это сделать чисто аналоговыми средствами.

Словосочетание "бюджет погрешностей" предполагает чуть более углублённое представление и о погрешностях, и о точности.

Это понятно, что оно значит больше, чем одно значение. Но в конце концов, зачем забивать сейчас голову температурными, временными дрейфами и прочими стабильностями, когда важно узнать сам принцип?

..тогда измерять среднее значение , формировать его и вычитать потом на операционнике из вашего сигнала.

Видел у Analog Devices микросхемы, как раз формирующие среднеквадратичное значение переменного сигнала(RMS-to-DC converter). Возможно, они бы и подошли для такой задачи. Надо будет посмотреть...

Сообщение отредактировал Aldaris - Sep 21 2011, 12:11

[xemul]

На самом деле конечной целью является оцифровка сигнала. И ничего не мешает поставить АЦП разрядностью и скоростью побольше и упростить всю схему в несколько раз. Интересно было узнать, возможно ли это сделать чисто аналоговыми средствами.

Возможно. Делаете оконный компаратор, который обеспечит быстрый переходный процесс ФНЧ, отслеживающего постоянную составляющую (оценка для частоты среза этого ФНЧ ~ 0.1 Гц * 0.5% = 5*10^-4 Гц, время переходного процесса после выключения компаратора посчитайте сами). Считалку, которая будет обрабатывать данные, желательно уведомить о срабатывании компаратора.

Это понятно, что оно значит больше, чем одно значение. Но в конце концов, зачем забивать сейчас голову температурными, временными дрейфами и прочими стабильностями, когда важно узнать сам принцип?

Пока достаточно оценить, сколько можно отдать на аналоговую часть, сколько - на цифру, сколько - на обработку.

UPD: оценка для частоты среза этого ФНЧ 1-го порядка ~ 0.1 Гц / (20*lg(0.5%) = 2*10^-3 Гц

[Aldaris]

Возможно. Делаете оконный компаратор, который обеспечит быстрый переходный процесс ФНЧ, отслеживающего постоянную составляющую (оценка для частоты среза этого ФНЧ ~ 0.1 Гц * 0.5% = 5*10^-4 Гц, время переходного процесса после выключения компаратора посчитайте сами). Считалку, которая будет обрабатывать данные, желательно уведомить о срабатывании компаратора.

То есть Вы предлагаете накачивать конденсатор, до определенного значения напряжения от другого источника. Когда зарядка конденсатора закончится (сработает компаратор), этот источник отключать и работать только с сигналом. Правильно?
Еще у меня была идея подключать через ключ малое сопротивление на землю (перед ОУ) и заряжать через него. Только вот сопротивление ключа в закрытом состоянии должно быть хотя бы на порядок больше входного сопротивления операционника, что вряд ли достижимо.

[xemul]

То есть Вы предлагаете накачивать конденсатор, до определенного значения напряжения от другого источника. Когда зарядка конденсатора закончится (сработает компаратор), этот источник отключать и работать только с сигналом. Правильно?

Достаточно управлять R фильтра. Но порядок величин (в первую очередь, конденсатора) всё равно получается изрядным, а гираторные схемы мне не нравятся.

Еще у меня была идея подключать через ключ малое сопротивление на землю (перед ОУ) и заряжать через него. Только вот сопротивление ключа в закрытом состоянии должно быть хотя бы на порядок больше входного сопротивления операционника, что вряд ли достижимо.

Вам уже намекали, что вход ОУ не должен висеть в воздухе по постоянному току.

[shkal]

очень странное сравнение уровня шума с неравномерностью АЧХ. Прям температура кипения воды с прямым углом.

[Aldaris]

Всем большое спасибо за объяснения! Мораль для себя - не выпендриваться и делать через цифру.

[Herz]

Всем большое спасибо за объяснения! Мораль для себя - не выпендриваться и делать через цифру.

При таком соотношении амплитуды и смещения - действительно выпендриваться не стоит.

[Georgy]

А я бы посоветовал диференциальный усилитель с двуполярным питанием в диф. режиме, полоса от DC до огого. Постоянка легко уходит.

[Igor_S]

Что-то я недопонял, уж простите - а в чем, собственно, разница (я насчет сделать в цифре или при помощи конденсатора)? По-моему, природу не обманешь - зарядить конденсатор до требуемой точности займет то же время, что и накопить отсчеты для вычисления постоянной составляющей... Если я ошибаюсь, будьте добры прояснить Вашу точку зрения, крайне любопытно!

Спасибо

[tyro]

А я бы посоветовал диференциальный усилитель с двуполярным питанием в диф. режиме, полоса от DC до огого. Постоянка легко уходит.

Немножко более расширенно: один вход ДУ подключен к фильтру (ФВЧ), а другой к исследуемому сигналу .

[Mc_off]

Скоро люди уже не будут знать о возможности применять обратную связь в аналоговых схемах....

Очень рекомендую почитать "Искуство схемотехники"

По запрашиваемой вами "проблеме" вам нужна схема "дифференцирующего усилителя"
http://elektronik2002.narod.ru/ou7_2.htm

Кроме того в посте не указаны требуемые ганичные частоты.

...По-моему, природу не обманешь - зарядить конденсатор до требуемой точности займет то же время, что и накопить отсчеты для вычисления постоянной составляющей...

Согласен на 100%

[Artem_Petrik]

По-моему, природу не обманешь - зарядить конденсатор до требуемой точности займет то же время, что и накопить отсчеты для вычисления постоянной составляющей... Если я ошибаюсь, будьте добры прояснить Вашу точку зрения, крайне любопытно!

Видимо предполагается, что в цифре будет реализован фильтр большего чем 1 порядка. В этом случае время "устаканивания" значительно сократится.


Но, конечно, фильтр более высокого порядка можно сделать и в аналоге, с тем же результатом.

[Aldaris]

Что-то я недопонял, уж простите - а в чем, собственно, разница (я насчет сделать в цифре или при помощи конденсатора)? По-моему, природу не обманешь - зарядить конденсатор до требуемой точности займет то же время, что и накопить отсчеты для вычисления постоянной составляющей... Если я ошибаюсь, будьте добры прояснить Вашу точку зрения, крайне любопытно!
Спасибо

Понятное дело, что для определения среднего значения сигнала длительностью 10 секунд нужно как минимум 10 секунд. Электроника будущее предсказывать не умеет. Если внимательно прочитать мои выкладки в этом треде, то можно заметить, что для "аналогового" поиска среднего требуются такие элементы, при применении которых время выхода на режим (состояния, при котором устройство может искать среднее с заданной точностью) будет не 10с, а 8000с. Проблема-то в этом. При оцифровке сигнала мы получим ряд значений, с которыми мы можем оперировать, как захотим (при этом нужные части спектра мы не потеряем). При "цифровом" поиске время будет те же 10с, а не 8000с.

[Tanya]

При "цифровом" поиске время будет те же 10с, а не 8000с.

И не 8000, а в 8 раз больше с Вашим подходом. А чтобы усреднить сигнал за 10 секунд аналоговым способом потребуется ровно 10 секунд и один интегратор. Можно с ключами.

[Aldaris]

Скоро люди уже не будут знать о возможности применять обратную связь в аналоговых схемах....
Очень рекомендую почитать "Искуство схемотехники"
По запрашиваемой вами "проблеме" вам нужна схема "дифференцирующего усилителя"
http://elektronik2002.narod.ru/ou7_2.htm
Кроме того в посте не указаны требуемые ганичные частоты.

Почитал уже. Давайте посмотрим на ваш дифференцирующий усилитель. Особенно интересна его передаточная характеристика.

Как-то так получится, что низкие частоты ослабятся, средние усилятся... Тут же характеристика ломаная. Как Вы предлагаете сигнал восстановить? И да, нижняя граничная частота 0.1 Гц, а верхняя пусть будет 100кГц. Разве верхняя на что-нибудь повлияет?

[shkal]

Так какая неравномерность АЧХ допустима на 0.1 Гц?

[Aldaris]

Так какая неравномерность АЧХ допустима на 0.1 Гц?

0,5%

[shkal]

Это из поста 3? Эти прикидки не имеют никакого смысла. Сравнение цвета яблок со вкусом вяленой рыбы.

[Aldaris]

Эти прикидки не имеют никакого смысла.

Хорошо. Пусть такие прикидки не имеют смысла. Значит я не знаю, как вычислить неравномерность. Тогда скажите сами, пожалуйста, как из того условия, что требуется измерять напряжения, отличающиеся на 0,5%, вычислить неравномерность АЧХ фильтра и поможет ли знание этой неравномерности хоть в чем-то.

[shkal]

никак, поскольку это не связанные между собой вещи. Исходить надо из каких-то других исходных.

[rudy_b]

Что-то вы странное говорите. Совершенно тупой фильтр 2 порядка (Sch) обеспечит нужную полосу (от 0.1 Гц - Freq), усиление 100 и время устаканивания порядка пары десятков секунд (Time). Нарисовал навскидку, если взять керамику 10uF (есть реально) то номиналы сопротивлений снизятся до нормального уровня сотен кОм.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[shkal]

Да, но это -3дб на 0.1Гц, а ТС требует 0.5%

[rudy_b]

Разница невелика. Вот данные того же фильтра (базовый резистор уменьшил до 100кОм) для точности примерно 0.5% на 0.1 Гц.

Частотную характеристику привел не в db, просто коэффициент передачи сигнала.

На последнем графике та же временная диаграмма растянута. Время устаканивания до этой ошибки - менее 40 сек. Понятно, что начальный скачок (при включении) будет больше, опер может быть перегружен (коэффициент усиления - 100) и будет устаканиваться несколько дольше, но, опять же, несущественно, поскольку у перегруженного опера входное сопротивление станет малым и постоянная времени резко упадет.

Эскизы прикрепленных изображений