Здравствуйте все!
Я хочу слегка отфильтровать выходной сигнал драйвера АЦП перед тем, как подать его на вход АЦП. Обычно предлагают по небольшой RC-цепи на каждом из выходов драйвера (R9*C8 и R10*C10 на приложенном рисунке). Методом научного тыка в плату я заменил обе ёмкости на одну между входами АЦП (C9). Так получалось меньше шума после АЦП. По результатам моделирования в Micro-Cap фильтрация тоже получается лучше.
Вопрос: есть ли тут грабли? Чем одна ёмкость между входами АЦП хуже, чем по одной ёмкости с каждого входа на землю? Или надо ставить все три ёмкости?
Заранее признателен.

Емкости на землю ставятся для развязки выхода источника от импульсной нагрузки, которой является вход АЦП при работе его входной схемы (там схема на переключаемых конденсаторах, которые потребляют импульсный ток). А именно фильтрующей емкостью является та, что между входами. Если не ставить емкости на землю, то возможен импульсный дрейф постоянки в зависимости от того, насколько несимметричное потребление по входам АЦП. Наличие емкостей на землю должно решать этот вопрос. И не должно ухудшать ситуацию по шумам. Если только там с разводкой какие-то вопросы - например, если по этим цепям текут паразитные токи.

Была 15-го числа на семинаре в Москве "АЦП/ЦАП Texas Instruments. Свойства, особенности, примеры применения". Так там очень настойчиво советовали не ставить конденсатор между входами АЦП сигма-дельта типа. А у вас какого типа АЦП?

Если вход АЦП дифференциальный, т.е. измеряет разность между + и -, то конденсатор между входами предпочтительнее двух на землю почти при любых условиях. Так как фильтруют то, что нужно, не подмешивая помехи с земли.

Добавлю: С9 фильтрует дифференциальную составляющую сигнала, а С8, С10- и дифференциальную и синфазную. Однако при разбросе емкостей С8, С10 между собой симметрия диф. выхода уменьшается на ВЧ части полосы. При одинаковых R9, R10, естественно. С9 несколько снимает эту проблему, но вообще- то в таком случае его емкость должна быть на порядок выше С8, С10. В данной схеме, это скорее всего, невозможно.

Из личного опыта убедился, что некоторые микросхемы драйверов очень плохо реагируют на дифференциальную емкость, вплоть до самовозбуждения. К тому же амплитуда сигнала на С9 двойная, а следовательно, емкость С9 каждым выходом воспринимается как удвоенная. Т.е. фактически каждый выход у вас нагружен на 30 пф. Исходя из анализа документации на АЦП от различных производителей, отметил следующее : на частотах до 100 МГц ставят все 3 емкости, на частотах до 300 МГц - что-то убирают, чаще синфазные (С8, С9), на частотах выше 300 МГц - вообще ничего нет (не считая паразитных по плате). Только выше 100-150 МГц драйверы, как правило, уже не ставят, дабы не ухудшать характеристики АЦП.

Я бы сказал, в 2 раза больше (см. теорию фильтров).

Это если с8 и с10 совпадают. А на практике купить хотя бы 1% конденсаторы не так и просто.

P.S. Фильтр лучше ставить на входе усилителя, а не на выходе.

Это не антиалиайзинг фильтр. Это RC цепь, главная задача которой убить ухудшение фильтрации X1 далеко выше мах рабочей частоты (выходной импеданс у Х1 увеличивается с частотой, т.к. нет возможности выбрать Х1 с мах частотой в 100...10000 выше мах рабочей частоты да и усиление Х1 с разомкнутой ОС падает с частотой). Постоянная времени RC цепи обычно выбирается так: t=(N+1)*ln(2)*R9*C8 < 1/Fsampling (для R10, C10 аналогично) (С8 и С10 должны успеть перезарядиться за время между выборок с ошибкой меньше половины величины младшего разряда АЦП). На высоких ч. я бы использовал в формуле (С8+Спаразит+С3IIC4.), где Спаразит. - все паразитные емкости правее Х1, C3IIC4 - последовательно соединенные С3 и С4 (аналогично для другого плеча). На практике эта цепь также убивает пролазы с АЦП. Поэтому С8, C10 надо поместить как можно ближе к АЦП. Понятно, что просто использовать С8, С10 с нулевым R9 и R10 нехорошо, даже при малых С8. Мах величина R9 и R10 ограничена необходимой полосой и паразитными конденсаторами справа от R9 и R10.

Те вещи, о которых вы написали (в той части которая об очень высоких для АЦП частотах), делаются до усилителя, т.к. частоты намного выше максимальной выпрямляются входными цепями ОУ и потом от них уже не избавиться. И расхождение между C8 и С10 очень сильно ухудшает работу всего фильтра, что частично компенсируется увеличением C9, поэтому рекомендуется, чтобы он был как минимум в десять раз больше, чем величина C8, С10. Своего рода Rule of Thumb, как называют это буржуи.

Дальше о том, что вы написали правильно:
На входы АЦП ставятся небольшие резисторы и максимальная величина их определяется входными токами АЦП и допустимой ошибкой преобразования (обычно жертвуют одним битом). Конденсатор между дифференциальными входами АЦП (С9) обычно не ставят. Точнее, я не встречал АЦП, где бы он требовался производителем. С8 и С10 производителем, обычно, требуются - это надо смотреть конкретный Datasheet на конкретную микросхему, они выполняют роль буффера для SAR-АЦП на переключаемых конденсаторах, а резисторы защищают ОУ от переходных процессов из-за переключений SAR-АЦП, и обеспечивают его (усилителя) стабильность. Кроме того, они защищают входы АЦП.
Всё так, но в этой части не фигурирует C9.

Вот именно. Тем более, что конденсаторы емкостью 10 пик и на 5% уже редкость.По причине трудности измерения такой малой емкости с достаточной точностью в промыщленных условиях, а самое глоавное- из- за того, что емкость монтажа и входные емкости активных элементов того же порядка и все равно картину портят, поскольку малопредсказуемы. Есть прецизионные К10-43, вроде у низ заявлено от 10 пФ, но я всю жизнь из пользую, но ни разу такого номинала не видел. В схемах диффусилителей иногда даже предусматривается балансировка переменным конденсатором для получения приемлемых КОСС на ВЧ.

Фраза из даташита на LTC2209

Input Filtering
A first order RC low pass filter at the input of the ADC can
serve two functions: limit the noise from input circuitry and
provide isolation from ADC S/H switching.
С конденсаторами тоже никаких проблем, например,
http://search.digikey.com/scripts/DkSearch...035A100FA16A-ND
или
http://search.digikey.com/scripts/DkSearch...035A100FA16A-ND
вообще-то там 89 позиций 10пФ 1% конденсаторов.
Мюрата до 9.9 пик делает с точностью +-0.05 пФ (буква W). Мы в полифазных фильтрах на 2-38 МГц используем их 1% 39 пФ
(здесь я немножко кривлю душой нам точность не важна - важна одинаковость номиналов в вертикальных четверках)

Не знаю, как у вас в Киеве, а у нас в Москве такая позиция, как 1% конденсаторы на складах не держится. По крайней мере, я не нашёл, и всё, что мне смогли предложить -везётся из-за границы. И очень большое время проводит на таможне. Кроме того, для целей разработки покупать конденсаторы упаковками по несколько тысяч штук каждого номинала - тоже проблема. Digi-Key - это тоже везти из-за границы, и тоже будет томиться на таможне.

Более того, цена, которую просят за такие конденсаторы тоже меня не может устроить в таком применении, как очень грубый (по точности) фильтр защиты от ЭМП. Ведь в этих цепях достойно себя показывают и 5% NP0.

Странно, первые партии кондеров мы везли из Москвы. Сейчас - да - заказываем 1000 штук на Вдмаисе и через две недели они у нас . Кстати, в фильтре ПЧ на 788МГц у меня стоит Мюрата (0.3 +-0.05) пФ , который мы поначалу тоже возили из Москвы. Обычные конденсаторы 0603 и 0805 10шт и 100шт на Кардачах стоят одинаково (опт ) - так что даже для эспериментов получается выгоднее брать больше.

Кондёры это спасение от высоких частот. А вот кто бы подсказал входной (относительно АЦП) фильтр для глушения сетевой наводки 50 Гц.
Проблема в следующем - измеряются биопотенциалы человеческого тела, из-за чего полезный сигнал слабый, а сетевые наводки относительно велики (т.е. амплитуда полезного сигнала на порядок меньше частоты 50 гц, которая туда проникает). Частота наводки легко отфильтровывается цифровыми методами, но только в том случае, если ... она не зашкаливает за пределы шкалы АЦП. Вот и получается, как между Сциллой и Харбидой - при малом коэффициенте входного усиления наводку удается устойчиво держать в рамках, однако полезный сигнал при этом слишком мал и грубо оцифровывается, а если прибавить усиление, то сигнал становится достаточно интенсивным, но тогда сетевая наводка слепит АЦП, т.к. в местах зашкалов пропадает вклад полезного сигнала.
Вот если бы можно было еще до входа АЦП пусть не полностью отфильтровать 50 Гц, а хотя бы понизить ее амплитуду на порядок, то был бы полный ажур. Кондёрами, как понимаете, эта проблема не решается. Нужен какой-то узкополостный фильтр низких частот. Кто-нибудь встречал нечто подобное перед входом на АЦП?
P.S. Область частот полезного сигнал 100-400 гц, это, к сожалению, слишком близко к 50 гц, чтобы давить низкую частоту грубо (типа того, чтобы поставить разделительный конденсатор на проходе) - вместе с 50 герцами такой фильтр завалит мне и полезный сигнал.

Вы это имели ввиду http://www.national.com/ms/LB/LB-5.pdf или что-то другое?
Если 16 МБ не проблема - http://www.4shared.com/file/118990457/f2de...tions_2009.html - программа расчета большинства известных фильтров - от LC до цифровых - там есть активные фильтры, выбираете Band Stop или ФВЧ

2 Xenia: Так вроде бы фильтр третьего порядка всего с этим справится ?

Я когда задавала вопрос ничего конкретного в виду не имела. Ссылку эту посмотрела и задумалась... 50 Гц он, конечно, режет хорошо (-40 db), но на 100 Гц он давит полезный сигнал на -15 db (соглаcно графику Figure 2), т.е. в 32 раза. Это много. Кроме того, он резко изменит соотношение амплитуд составляющих внутри интересующего меня диапазона частот, т.к. правый край - 400 гц он практически не режет. Нужно думать. Хотелось все же, чтобы фильтр был еще более острым.



Я не спец в фильтрах. Что касается самого АЦП (сигма-дельта ADS1255), то его фильтрующие способности, по-видимому, сильно завязаны на частоту дискретизации. Если установить частоту сбора данных 50 Гц, то сетевую наводку он рубит замечательно. Но мне, как понимаете, такая частота для оцифровки данных мала, т.к. мой диапазон 100-400 Гц. Таким образом, мне приходится работать на частоте дискретизации 1000-2000 Гц, чтобы хотя бы различать биения на 400 герцах.

Поведение АЦП при этом таково, что при частоте оцифровки 5, 10 или 50 Гц сетевой помехи не видно, но она появляется во всей своей красе уже при 100 Гц. Все отлично до тех пор, пока полный период сетевой помехи целиком укладывается в период преобразования. Т.е. тут не столько АЦП своим фильтром ее фильтрует, сколько она сама самовычитается по причине своего нулевого среднего за этот период. Уже на частоте пребразования 100 Гц видно разительное отличие между четными и нечетными точками. А на частоте 1000 Гц я отчетливо вижу четкую гармонику 50 Гц, повторяющуюся через каждые 20 точек.

В даташите на мой АЦП есть куча информации про эти фильтры, но я не вижу никаких средств управлять ими иначе, чем изменяя рабочую частоту оцифровки (data rate). Но такой возможности я лишена, т.к. фактически привязана к частоте 1000 Гц и снизить ее не могу.

Качество скана сыграло злую шутку - минус 15 дБ на 100Гц это просто двойной Т-мост без операционника. С операционником - жирная линия на 60Гц.
На нижней картинке спан от 30Гц до 100Гц - маркер - на 70Гц. На предыдущем посте другое предложение - полосовик 100 - 400Гц (картинку вставил, а подпись уже не успел), но, ИМХО, режектор проще и лучше.
PS А Вы что мощности считаете? 15дБ по мощности - 31.6 раза, по напряжению - 5.62 раза

Ага, пронеслась. С децибелами мне редко приходится иметь дело - не по той формуле вычислила.
За ответ спасибо!

Ксения, а до АЦП поставить хороший инструментальный усилитель для медицинских применений не пробовали? И подключать сигнал по экранированной витой паре. Тогда наводка сети будет давиться более чем на 100дБ, если только она не пролазит на АЦП по цепям питания.

А вы мне посоветуйте чего-нибудь конкретное, а то я впервые слышу о существовании инструментальных усилителей для медицинских применений.

Я использую AD8295 - вполне неплохо вылавливает низкоуровневые сигналы в условиях работы в непосредственной близи силовой установки. Но он не самый защищённый по входам и по уровню допустимого синфазного сигнала, но достаточно хороший из дешёвых. CMRR при коэффициенте усиления равном 1 - 90дБ, при большем коэффициенте усиления, соответственно, больше.

На первой странице даташита - ещё образцы инструментальных усилителей, может вам что подойдёт. Также у TI есть хорошие инструментальные усилители.

Обычный изолирующий усилитель, в принципе- любого типа, но сертифицированный с точки зрения безопасности применения в медицине. Т. е. электропрочность изоляции между первичной и вторичной сторонами, гарантия того, что на первичной стороне в случае аварии на вторичной не появятся опасные напряжения/токи и т.п. Может сертифицироваться вся установка на это дело- например, ЭКГ. Как правило, требуется достаточно большое значение КОСС- но это уже вопрос метрологии, а не безопасности.

To Xenia Ну и еще почитать http://www.biosemi.com/publications/artikel3.htm
или хотя бы http://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=47010
Или это с инструментальным усилителем такие проблемы?
Кстати, сразу и изолирующие усилители http://www.analog.com/en/amplifiers-and-co...ucts/index.html . Мы использовали 215-й, но в совсем другой технике...

Xenia, какие уровни полезного сигнала и помехи вы видите перед АЦП? Каков Ку усилителя?

Дыкть, вы просили 10 раз, т.е. 20dB, а тут получается даже 25 (т.е. 40 - 15)dB.


Можно частоту среза унести на 70Гц и увеличить крутизну в два раза. Но мне кажется, что 100Гц все равно будет пробивать, уже как наводка от выпрямителей. Может проще синхронизироваться с частотой сети, как уже кто-то где-то предлагал, и производить измерения пару раз за период при минимуме напряжения, как и помехи ?


Это к тому, что третий - технически несложно, т.е. реально.

Подозреваю, что 100 Гц дискретизации очень редко для Ксении при такой полосе.

В своё время для регистрации биопотенциалов кожи использовали INA118. Рекомендую и AppNotes для этого усилителя посмотреть (например http://focus.ti.com/lit/an/slyt226/slyt226.pdf). Хотелось бы отметить ещё пару моментов:
1. Если Вам важна форма регистрируемых биосигналов, то помимо неравномерности АЧХ в желаемой полосе, проверяйте ФЧХ, она должна быть линейной, иначе получите искажение формы сигнала. В своё время читал статью Морозова А.А. о математической компенсации нелинейности ФЧХ для восстановления формы сигнала, но сейчас что-то никак не могу на неё найти ссылку.
2. Также, если используете кабели для подключения датчиков, то половина проблем будет не в усилителе, а именно в кабеле. Лучше применять специализированные кабели с двумя или даже тремя экранами. Здесь также были работы по исследованию влияния кабеля отведения при регистрации биосигналов, но к сожалению, ссылок сейчас найти не смогу. Я могу ошибаться, но насколько помню, основная проблема в ёмкости кабеля и утечке тока на эту ёмкость: источник биосигнала имеет очень большое внутреннее сопротивление, которое с ёмкостью кабеля образует RC-фильтр. Также за счёт малых токов от источника сигнала увеличивается чувствительность к емкостным помехам.
3. Сам электрод и система крепления его к пациенту. Тут вообще, ситуация напоминает "танцы с бубнами". Подбор ЭКВ, смещения пациента, вибрации, подготовка электродов, температурные изменения, пот пациента и т.д. Однако, если электроды используются (по другому я не представляю как снять сигнал), то настоятельно рекомендую прочесть книгу Орлов Ю. Н. "Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов" (http://buybook.com.ru/book-205609-130.html), особенно первую часть.
4. А по поводу синфазной помехи, то в соответствии с AppNote'ом в пункте 1, думаю, что при подаче синфазного напряжения на измеряемый объект Ваша помеха уменьшится в разы и не приведёт к отсечке усилителя.

Кстати, таки да, схема из книжки 500 вредных практических схем на ИС: Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Я-то думала, что в нем фильтр встроенный, а так хороших операционников полным-полно. У меня лично стоит AD8552, он сдвоенный симметричный для + и - входа АЦП сразу (у меня используется дифференциальный режим).



У меня нет необходимости прибегать к изолирующим входным усилителям, поскольку моя конструкция уже гальваноразвязана (АЦП питается через DC/DC, связь с МК развязана индуктивно - ADUM1401). Без гальваноразвязки работать было совсем невозможно.


На счет этого я начитана . Только всё это скорее для выравнивания потенциала, чтобы его уровень не гулял далеко от середины шкалы АЦП, а вовсе не для подавления сетевой наводки. Напоминаю , что сетевая наводка - это гармоническая составляющая с нулевым средним, которая появляется из-за того, что тело человека либо служит антенной, либо имеет ёмкостную связь со внутренней поводкой помещения или электрическими приборами. Схватитесь пальцами за вход осциллографа - сами это наглядно увидите. Откуда этого так много берется, аж странно.
Когда измерение ведется в дифференциальном режиме между двумя точками на поверхности тела, то сетевая наводка тут многократно меньше. Однако как только вы повысите усиление, намереваясь разглядеть милливольты, то сетевая наводка снова начнет вам досаждать, т.к. на этом уровне входного сигнала она весьма значительна. По ряду причин я не могу проводить подобные эксперименты в комнате, полностью изолированной от сети заземленным экраном на стенах, полу и потолке.


С усилителем нет никаких проблем, проблема в том, как можно (если это все-таки можно) зарезать наводку от промышленной сети переменного тока (50 Гц) на входе усилителя. Поскольку при коэффициенте усиления 500-1000 она начинает зашкаливать за пределы шкалы АЦП, а мне хотелось бы разглядеть на ее фоне сигналы 1-10 милливольтовой амплитуды.


Коэффициент усиления я хотела бы 500-1000. Чтобы при шкале АЦП ±2.5 В иметь возможность наблюдать сигналы с амплитудой 1 мВ. При усилении 1000 работать невозможно, т.к. сетевая гармоника начинает зашкаливать либо снизу, либо сверху шкалы. Я, конечно, центрируюсь, старясь удержаться на середине шкалы, то при таком размахе этого трудно гарантированно достичь. Вот и приходится работать на коэффициенте усиления 50-100. Увеличить его мне мешает проклятая наводка. Оттого и мой интерес к тому, чтобы ее на порядок (в 10 раз) понизить, чтобы иметь возможность в это же число раз увеличить усиление. А тут тема как раз подходящая открылась, вот я и рискнула задать вопрос, когда конденсаторы уже обсосали со всех сторон.


Все эти математические премудрости хороши тогда, когда удается получить незашкаленную оцифрованную запись.
Вот представьте ситуацию: АЦП зашкален вниз, непрерывно показывает -2.5 В (у него 5-вольтовая шкала с центром в середине диапазона), потом резко угодит в верхний зашкал, где непрерывно показывает +2.5 В, и так далее с периодом 50 Гц. Если усиление зарубить, то видишь синусоиду сетевой наводки, которая вызывала эти зашкалы то снизу, то сверху, поскольку не помещалась внутри шкалы АЦП.


Неправда, кабель (даже с разомкнутым входом!) не дает такой сильной сетевой наводки, какая появляется в тот момент когда цапнешь за его жилы руками. Что толку пыжиться, экранируя эти несчастные проводки, если к ним присоединяется огромная туша тела , без всякого экрана? Впрочем, входной провод у меня экранирован, только когда он присоединен к телу, это становится без разницы. Всё равно что взвешиваться вместе с блохой и без нее .


Да-да, всё это очень важно, но не будем отвлекаться от означенной темы. Вопрос поставлен относительно возможности сделать узкополосный завал на частоте 50 Гц во входном каскаде предусилителя АЦП. Очевидно, что ни вибрации, ни температурные изменения, ни пот пациента не влияют на величину сетевых наводок. Если бы в жилице человека электроэнергия подавалась в виде постоянного тока, то моих проблем попросту не существовало. Проблема в том, что мы фактически живем между обкладками конденсатора, к которому приложены 220 вольт переменного напряжения с частотой 50 Гц. И тут хоть стирай с себя пот или не стирай, добиться существенных изменений в ситуации не удается.

Похоже надо взять ещё один проводок, подцепить его к той же тушке в нужном месте и вычитать наводку... Совсем её таким образом конечно не прибить, но ослабить раз в десять получится.

2 Xenia Вы бы привели схему входного каскада перед АЦП с подключением к телу, а то мы, получается, домысливаем Вашу схему и, быстрей всего, неправильно.
PS А шумы операционника почти сравнимы со входным сигналом - 42нВ/корень Гц * корень(400Гц) +фликкер до 10Гц=> больше 1мкВ, умножаете на 1000 вот Вам и миллиВольт шумов

1. Пассивный режекторный фильтр на Т-мосте (входного сопротивления может не хватить для Вашей задачи).
2. Активный режекторный фильтр (см. Пейтон Аналоговая электроника на операционных усилителях стр. 131...136).
3. Использовать питание только от батарейки (получится переносное устройство).

Зачем такое усиление, у вас сигма-дельта АЦП с как минимум 19 битами. Усильте только раз в 10 входным ИУ и сразу на АЦП. Каков уровень сигнала, для которого необходимо еще различение формы?

Увас ADS1255? там два питания - цифровое и аналоговое. Если не трудно, расскажите про развязку на ADUM1401. Что с чем вы развязывали? Разве запитав AVCC у АЦП от отдельного LDO не достаточно?

И как вы ИУ с дифф выходом сделали?

Компенсировать активным адаптивным вычитателем на входе устройства (замешать синус частотой 50 Гц, возможно взятый из сети как опоры) , делать фурье , смотреть гармонику 50 Гц и компенсировать. за 2 -3 итерации , надеюсь , можно подавить более чем на 20 дБ , подстройкой амплитуды и фазы подмеса. При этом не понадобится фильтр 50Гц, так как даже узкополсный заметно исказит импульсы , если они 5-10 mS длительностью .
Примерно это же предложил и jam.

Опа. Я хотел сказать огромное спасибо всем, кто мне ответил, очень пригодилось. Если кто забыл - это я начал тему

Сегодня специально мучал осциллограф. И схему, с дифференциальным сигналом и землёй, привязанной к телу.

Что и требовалось доказать, не надо изобретать велосипед, достаточно повторить уже найденное решение и всё хорошо.

Проблема осциллографа (и я так подозреваю, Ксении тоже) в том, что сигнал "снимается" неправильно. К сожалению, не видя её схемы, я не могу даже предположить где именно. Но, учитывая, что она использует операционник, а не инструментальник, да ещё и с униполярным питанием, примерно представляю. И проблемы вполне закономерны. И они в уровне синфазной помехи, и сложности построения хорошего усилителя биометрических данных с помощью нескольких ОУ (а с помощью одного ОУ, мне кажется это невозможным).

Не могли бы пояснить почему?
Спасибо.

Из-за низкого входного сопротивления ОУ (по сравнению с IN-Amp), при таких сопротивлениях изменения в сопротивлении тела (от пары сотен килоом до нескольких мегаом) влияют на сигнал. Кроме того, у таких ОУ высокий коэффициент усиления без стабилизирующей цепи обратной связи, взаимодействие двух этих элементов, порождает сложности в отладке устройсва (в In-Amp это делается производителем на кристалле с высокой точностью). Кроме того, Ксения (насколько я помню, а я могу ошибаться) использует ОУ с пятивольтовым униполярным питанием, что меньше синфазной составляющей наводки на человеческое тело при высокоомном входе измерителя (ОУ или In-Amp), а некоторые из IN-Amp успешно подавляют синфазные наводки в несколько раз превышающие напряжение питания, а мне приходилось пользоваться тем In-Amp, который работает с синфазным сигналом 120В относительно земли при биполярном питании в 15В относительно той же земли (к сожалению, этот усилитель сильно шумел), тем не менее, это невозможно на ОУ (из-за особенностей входных цепей).

Спасибо.