Определение основных сценариев применения и характеристик сигнала

Это предпосылка выбора, и различия в сигналах в разных сценариях напрямую определяют ключевые параметры фильтра.

Определение типа сигнала и диапазона частот начинается с определения свойств входного сигнала двух каналов: низкочастотного сигнала (например, сигнала биотелекоммуникации 0,5 - 100 Гц, сигнала датчика температуры), сигнала средней частоты (например, модулированного сигнала, соответствующего промышленному управлению 4 - 20 мА, звукового сигнала 20 Гц - 20 кГц) или высокочастотного сигнала (например, сигнала выборки радиочастоты, сигнала высокоскоростной шины данных). В то же время необходимо различать полезную частоту сигнала и частоту сигнала помех: например, при мониторинге вибрации характерная частота отказа устройства может составлять 500 Гц - 2 кГц, а помехи могут быть рабочими частотами 50 / 60 Гц или высокочастотным шумом; Полезный диапазон сигналов ЭЭГ (EEG) составляет 0,5 - 70 Гц, помехи в основном являются рабочими частотами и миоэлектрическими шумами (> 100 Гц). Для двухканальных сигналов необходимо также подтвердить, является ли двухканальный сигнал гомологичным дифференциальным сигналом (например, вход дифференциального датчика, требует подавления с помощью коммода) или независимым сигналом (например, вибрационный сигнал в разных точках измерения в обоих каналах требует независимой фильтрации).

В соответствии с теоремой отбора проб Найквиста, скорость отбора проб должна быть в два раза больше максимальной частоты сигнала, а в практическом применении обычно в 2,5 - 4 раза больше, чтобы обеспечить эффект фильтрации. Возможность синхронного отбора проб двухканального фильтра имеет решающее значение: если двухканальный сигнал требует строгого выравнивания времени (например, измерение разности фаз, векторный анализ), необходимо выбрать фильтр, поддерживающий двухканальный синхронный отбор проб, чтобы избежать задержек отбора проб между каналами; Если требования к синхронизации низки, можно выбрать модель асинхронного отбора проб.

Амплитуда сигнала и динамический диапазон определяют амплитудный диапазон сигнала (например, уровень mV, уровень V) и наличие больших колебаний динамического диапазона (например, ударные сигналы в промышленных сценариях). Это определяет входной диапазон и число фильтра (например, 12 - битный, 16 - битный, 24 - битный интегрированный ADC фильтр), и чем выше число, тем сильнее разрешение слабых сигналов.

Основные показатели производительности фильтра фокусировки

Производительность цифрового двухканального фильтра напрямую влияет на эффективность обработки сигналов, и необходимо сосредоточиться на следующих показателях:

Типы фильтров соответствуют основным типам цифровых фильтров, включая низкочастотные, высокочастотные, полосовые и полосовые помехи, которые должны быть выбраны в соответствии с требованиями подавления помех:

Для сохранения низкочастотных полезных сигналов, фильтрации высокочастотных помех, выберите низкочастотный фильтр (например, обработка биоэлектрических сигналов);

Чтобы сохранить высокочастотные характеристики, отфильтровать низкочастотный дрейф, выберите высокочастотный фильтр (например, вибрационный ударный сигнал);

Для извлечения сигнала определенного диапазона частот и одновременной фильтрации высокочастотных помех, фильтр полосового пропускания (например, демодуляция радиочастотного сигнала, извлечение частоты характеристики неисправности);

Для целенаправленного подавления определенной фиксированной частоты помех (например, рабочей частоты 50 / 60 Гц), полосовой барьерный фильтр (также известный как ловушка).

Двухканальный фильтр должен поддерживать тип фильтра с двумя независимыми конфигурациями (например, один низкочастотный канал, один полосный доступ) или один и тот же тип конфигурации для обоих каналов, который должен соответствовать требованиям приложения.

Показатели полосы пропускания и полосы сопротивления

Частота отсечения полосы пропускания (fp): необходимо точно покрыть частотный диапазон полезного сигнала, чем меньше затухание в полосе пропускания (AP), тем лучше, как правило, требуется AP 1 дБ, чтобы избежать искажения полезного сигнала;

Частота отсечения полосы сопротивления (fs): необходимо покрыть частотный диапазон сигнала помех, чем больше затухание (As) в полосе сопротивления, тем лучше, например, при подавлении помех рабочей частоты, As ≥ 40dB может эффективно уменьшить амплитуду помех;

Ширина переходной полосы: переходная полоса - это частотный интервал, проходящий через полосу сопротивления, и чем более узкая ширина, тем сильнее частотная избирательность фильтра, но тем выше сложность алгоритма. Сценарии, требующие высокой производительности в реальном времени (например, промышленный онлайн - мониторинг), могут принимать более широкие переходные полосы, в то время как лабораторные сценарии высокоточного анализа требуют узких переходных полос.

Коэффициент изоляции канала к комодульному подавлению (CMRR) является ключевым индикатором двухканального фильтра, особенно для дифференциальных сигналов или сценариев сильных помех:

Степень изоляции канала: относится к степени взаимных помех между двумя сигналами, чем выше степень изоляции (например, 80dB), тем больше можно избежать помех от одного сигнала в другой;

Коэффициент подавления конформного типа (CMRR): чем выше CMRR для двухканального фильтра дифференциального ввода (например, ≥) 100dB@50Hz ) Чем лучше эффект подавления на комодовые помехи (например, шумы рабочих частот, помехи земного кольца), тем лучше, подходит для обработки сигналов датчика на промышленной площадке.

Фазовые характеристики различных алгоритмов фильтрации сильно различаются, что напрямую влияет на точность фазы сигнала:

Линейные фазовые фильтры (например, фильтры FIR): фаза в полосе пропускания пропорциональна частоте, сигнал фильтруется без фазового искажения, подходит для сценариев, требующих сохранения фазовой информации (например, измерение фазовой разности, акустическое позиционирование, анализ временных рядов биоэлектрических сигналов);

Нелинейные фазовые фильтры (например, IIR - фильтры): фазовые искажения больше, но алгоритмы имеют низкую сложность, быстрые вычислительные скорости и подходят для сценариев с низкими требованиями к фазе (например, простой мониторинг амплитуды, подавление шума).

В двухканальных приложениях для анализа разности фаз между двумя сигналами необходимо выбрать двухканальный линейно совпадающий по фазе фильтр, чтобы избежать смещения фаз между каналами, что приводит к ошибкам измерения.

Реальность и сложность алгоритма.

Сценарии, требующие высокой производительности в реальном времени (например, промышленные замкнутые контуры управления, высокоскоростной мониторинг сигналов), предпочтительно выбирайте фильтр IIR или легкий фильтр FIR, который имеет небольшую вычислительную мощность и может быстро работать на встроенных устройствах (таких как MCU, FPGA);

Лабораторный высокоточный анализ сценариев (без давления в реальном времени) позволяет выбрать современные алгоритмы фильтрации, такие как фильтр FIR высокого порядка или преобразование малых волн, чтобы получить лучшую частотную избирательность и фазовые характеристики.

В то же время обратите внимание на пропускную способность данных фильтра, чтобы удовлетворить потребности в скорости отбора проб двухканального сигнала, чтобы избежать переполнения кэша данных.

Соответствие аппаратной и системной совместимости

Форма аппаратного интерфейса и интегрированного цифрового двухканального фильтра включает в себя автономные модули (например, карты фильтра), фильтры, встроенные в карты сбора, программные алгоритмические фильтры (например, LabVIEW, MATLAB фильтры на базе ПК):

Промышленное встроенное приложение на месте, приоритет выбора модуля аппаратного фильтра, сильная антиинтерференционная способность, не нужно полагаться на верхнюю машину;

сценарий лабораторного тестирования, можно выбрать программный алгоритмический фильтр, высокая гибкость, параметры могут быть скорректированы в режиме реального времени;

При стыковке с существующей системой сбора необходимо определить тип интерфейса фильтра (например, USB, Ethernet, SPI、I2C）， Обеспечьте совместимость с контроллером (MCU, PLC, Work Control).

Промышленные сценарии энергоснабжения и адаптации к окружающей среде должны учитывать диапазон рабочих температур фильтра (например, 40°C - 85°C), устойчивость к электромагнитным помехам (например, соответствие сертификации EMC); Портативные устройства должны учитывать характеристики низкого энергопотребления; Лабораторные сценарии менее требовательны к окружающей среде.