小信号先滤波还是先放大?

2023-11-05

1、是先滤波再放大,还是先放大再滤波? - ADI 技术 - 电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛!

 

ADI亚洲技术支持中心的同事们给出的建议是——一般是先放大再滤波,这样经过放大器带来的噪声也可以被滤除。您怎么看?

我觉得应该看是什么信号以及用什么样的运放
不能一概而论
如果用精密运放,先滤波再放大,精密运放本身噪声也不大
如果是一般的运放,放大再滤波吧...

1.我的观点是要根据实际情况:如果有用信号比较微弱,淹没在噪声中的话,那肯定要先放大一些,再考虑滤波的;
如果信号不是很小,得先考虑滤波再放大,因为可能先放大,噪声都要趋近饱和,有用的信号都可能损失掉了,当然即使这样后,后续还是要进行滤波的,因为毕竟经过放大器后,也引入了其他的噪声

2.要根据实际情况:如果信号幅值比较大,可以先滤波,再放大
     但如果有用信号特别微弱的话,那肯定要先放大,再考虑滤波的;
     有用信号本身有一个频率范围,噪声基本是全频率,不论滤波还是放大,噪声频率与信号频率接近的部分滤波器是不能滤掉的。如果滤掉了,那有用信号也一定被过滤掉了。滤波其实就是电路对不同频率的信号的响应是不同的。有用信号经过滤波器时,其实它本身也被滤掉了一部分,只是其他频段的信号被过滤的更多一些。放大器是对信号输入能量,但它对信号频率之外的信号也注入能量,只是多少的问题。
     所以先放大还是先滤波,就是看你信号的能量多少,先衰减还是先注入能量。我们当然希望先衰减,把不需要的都过滤掉,然后放大,提高系统的稳定性。
     如果信号特别微弱,真的需要先放大,有用没有用的都放大,然后设计滤波器,把噪声过滤掉。但这些都需要一个前提,你对有用信号的频率特征要很明确。

3.信噪比较高的信号可以先放大,后滤波如果是很弱的信号淹没在强大的带外噪声中,先放大可能造成严重非线性失真,甚至阻塞,产生大量互调成份难以滤除。这时要先用带通滤波滤除强带外干扰再放大。 

4.说的比较概念化,滤波放大先放大再滤波这两种各有利弊,主要是想得到什么效果。先滤波可以保护后端放大电路,延长控制部分寿命;先放大再滤波,有效消除波形中的奇波、峰刺。

5.要根据实际情况:如果信号幅值比较大,可以先滤波,再放大。
                           但如果有用信号特别微弱的话,那肯定要先放大,再考虑滤波的

6.传感器是连接模拟世界与数字世界的桥梁,微弱信号采集是非常具有挑战性的一个应用,我们的目标信号本身就及其微弱,还伴随着各种各样的干扰,信噪比SNR非常低。

比如ECG心电信号,只有十几毫伏,而EEG脑电信号只有几百微伏,而且还有心电、眼电、肌电、工频等各种干扰,难以采集。

对于低SNR微弱信号采集,很多同学会有这样一个疑问:应该先放大还是先滤波呢?这是一个问题!
 

我喜欢以实际波形举例说明,更清晰容易理解。

比如一个信号X=0.1sin(t)+0.1,信号波形见上图第一行,如果X叠加噪声后,降低其信噪比,从时域就很难分辨其波形,SNR被大大降低,带噪信号见上图第二行。

对于一个信噪比非常低的信号,噪声幅值是很大的,如果此时先直接用放大器放大,放大后的噪声非常容易导致放大器进入非线性区域,进而影响其性能,见上图第三行。

因此在微弱信号处理时,先滤波、再放大,是一个选择,以保障后续电路的要求,这可以满足大部分应用需求。

然而放大器电子电路本身也会有噪声,如果对SNR要求十分严格,甚至需要再放大之后再次滤波,即:滤波->放大->再滤波。

7.什么级别的小信号?满量程mv级的话,先选频滤波再放大,再滤波,我个人就是这么操作的。

8. 先用有源滤波器,在滤波的同时小倍数放大,然后再单纯的大倍数放大

9.总结一下:
第一级:无源滤波、钳位、ESD等保护。滤除较大幅值【提取有用弱信号】、较高频率【高频成分易造成后级电路的不稳定波形失真等问题】 的成分。这一级是粗滤波。为的是提取有用成分【允许一部分的无用成分】。形象点说是粗提纯。
最前级应该有个滤波,这个滤波应是无源的。
我考虑有源滤波处于第一级的话的对这么弱的这么杂的信号容易【不是肯定】不但不能有效滤波而且造成不必要的失真或引入噪声。
第二级:放大【或兼滤波】。
到这里的信号应该是放大器能够正确放大的信号,当然,能够滤波的话可以进一步“提纯”。
不过对于可变增益放大来说,我一般不再这里滤波。而是把不同大小的信号按硬件档位放大为固定范围大小的信号到后级的有源滤波电路专门“提纯”,这样滤波电路能够工作的更好。
这一级出来后的信号幅度必须是OK的,后级能够处理的。
第三级:有源滤波。如果信号到这里就可以用了,那么就无需滤波了,有时候到程序里进行一下软件滤波就可以了。如果需要更纯净的信号那么就用这一级。

出来之后进ADC。ADC的采样率也是一级滤波器。

ADC成数据后,软件滤波又是一级滤波器,软件增益也是一级“放大”。

当然了,数据出来后要显示、上传等时,更可以“滤波”、"放大"

请楼上说说我这么安排是不是合理呢?

是先滤波再放大,还是先放大再滤波? (amobbs.com 阿莫电子论坛)

2、低频小信号 用RC滤波合适 还是 用运放搭个有源滤波电路处理比较合适? - 电路设计论坛 - 电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛!

问:项目要把一个Vpp为20mV的小信号(频率2Hz,带1V的直流偏置放大到0~4V。
信号比较弱,还要直流成分,请问怎么处理才好?
我准备用一个带通滤波器滤掉高频噪声和直流成分后再放大到0~4V。

答:用有源低通滤波+放大就可以了,信号幅值不算小,比较容易处理。

问:交流信号20mV要放大几乎200倍到0~4V(峰峰值4V,直流偏置2V),如果放大信号包括1V的直流成分,后面的偏置要非常精准的抵消成10mV才行, 这种电路是不是不太好实现。

 答:直流分量一个隔直电容就干掉了,不会被放大,这里单级放大就可以了,对运放的Vos要求很小

问:去掉直流成分后,信号就有负电压了,运放是不是要双电源供电,能不能单电源供电?

答:运放单电源供电,用反相输入放大下,同相端给VCC/2的直流偏置电压即可

问:但是这样又会在信号中加入直流成分,后续放大会一起放大,限制了放大倍数;
对于一个有很大直流成分(如1V)的交流小信号(如20mV),我希望过滤掉直流成分后,对信号进行200倍的放大;是不是要精确的控制偏置的电压,让它等于交流信号的峰峰值。

答:理解有误。

答:最难处理的信号:低压直流宽动态范围,高输出阻抗。
你这里一个不占(你没说你的传感器输出阻抗),所以你这个信号很好处理。
1. 用一个电容把直流隔掉,这个时候的信号是-10mV~10mV,把这个信号抬升到0~20mV(否则要双电源供电)。然后用放大器放大到0~4V。
2. 注意运放的输入范围和输出范围。在0/+5V单电源供电下,不是所有的运放都能识别这么低的输入电压。
3. 放大后到0~4V的2Hz信号的时候,再把直流偏置1V加上去(如果需要)。
4. 如果你的传感器输出阻抗很大,你应该用个高输入阻抗的运放。
5. 用有源滤波,隔直的同时,也放大。

3、噪声产生原理及机制 - 豆丁网

4、先放大再滤波,还是先滤波再放大-仪表放大器-AD620_小体系的博客-CSDN博客_仪表放大器滤波


 此模块采用 AD620 仪表放大器,其调整放大倍数。参照 ADI 实验室电路推荐设置,弄了防 RF 设计,如图模块左边信号输入部分。 先前和相关工程师讨论过,锁相放大器中是先放大在滤波,还是先滤波后放大?

比较好的经验是:如果信号较小,采用先放大再滤波的形式,相反可以反过来

本设计即采用先放大后滤波

AD620 全差分仪表运放,很好的共模抑止比,能达到 120db。 原理图中采用双电源供电,利于信号调理。 另外选用 AD620 其价格相对便宜,噪声低。 误差相对独立器件来说小。 精密仪器中需要选择低噪声的设计, 本设计全部基于小噪声设计,因此芯片选型,在噪声方面重点考虑,当然成本也是比较重要的。
 

 5、有源低通滤波器(lpf)

有源低通滤波器(lpf)

1. 有源低通滤波器的技术指标

通带与阻带之间称为过渡带,过渡带越窄,说明滤波器的选择性越好

 在这里插入图片描述

 

通带增益

:通频带内的电压放大倍数,对lpf讲,它是信号频率时的电压增益。

一个简单的二阶低通有源滤波器:

有源滤波器=二级无源rc低通滤波器+运放。

滤波效果由二级无源rc网络决定,运放提供增益以及提高带负载能力

优点负载不直接与rc网络联接,而通过高输入电阻,低输出电阻的运放连接,其rc网络的滤波性能不受负载的影响。电路除有滤波功能外,还有放大作用

通带增益的计算:当f=0时 ,c1、c2可视作开路 ,所以电路是一个同相比例放大器,其通带增益为:

要分析它的滤波效果时,先求出电路增益的传递函数,根据电路原理有:

令c1=c2=c时,联立上述三个方程,解得该电路电压增益拉氏表示的传递函数如下:

通带截止频率求取:

将上式中s换成

, 并令,则

根据截止频率的定义,当

时,上式右边分母之模为(上限频率对应的增益下降到中频时的0.707倍)

即:

解得:

由上式画出折线化幅频特性如图所示:

从波特图可知:二阶低通有源滤波器(lpf)在

时,特性近似以-40db/十倍频程斜率下降,比一阶下降快了。但还不够,还应进一步向理想逼近。

2. 二阶压控电压源lpf

它与普通二阶低通有源滤波器不同的地方是c1不接地,而是连接到电路的输出端了。这样连的思路是:在f0附近形成一定的正反馈,使该点频率附近的特性起峰来改善滤波效果。

⑴ 通带增益

根据定义,它为

时的电压增益。

⑵ 传递函数:

节点1方程:

联立解后得传递函数:

式子说明,通带增益应小于3,否则系统将会不稳定。

⑶ 频率特性

将上式中s换成

, 并令则。

比较该式与前面二阶低通滤波器频率特性,只是分母虚部的系数不同。所以,在f<;>;fo时,两式近似相等,只有在fo附近起峰。当f=fo时,增益的复数表达式为

其模为

电路的品质因素

,时的模与通带增益比,所以有。

表达式用q联系后有

由此画出的幅频特性为:

从波特图可知,它的滤波特性比普通的要好一些。

6、有源低通滤波电路 - 百度文库-电路分析 

 

 

 

 

7、低通滤波器的设计 - 百度文库 

 

 8、有源低通滤波器设计 - 百度文库

 

9、有源高通滤波器的原理、特性曲线和计算公式|二阶|放大器_网易订阅

10、低通滤波器的适用场合 - 今日头条 - 电子发烧友网

低通滤波器的适用场合

1、数字脉冲电路

数字脉冲电路是一种主要的电磁干扰源,脉冲信号含有丰富的高次谐波,这些谐波并不是电路工作所必需的,但是,因为它们很容易被辐射和耦合,是很强的很强的干扰源。因此,在数字电路中,常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉,仅保留能够维持电路正常工作的低频信号

2、高频电磁波

高频电磁波在空间的传输效率更高,也更容易被接收。对设备造成电磁干扰的电磁场的频率都是比较高的,它们在电路中产生的噪声电压、噪声电流也是高频的,因此,需要对低通滤波器来对这些高频的噪声进行过滤

3、传导电流

当导线上有传导电流时,电流的频率越高,越容易形成辐射,从而形成较强的辐射干扰。用低通滤波器滤除这些高频电流是减小辐射的比较有效的方法

4、导线

导线或电缆之间由于存在分布电感和互感,会产生相互的串扰,这些干扰以高频为主,并且,频率越高,串扰越严重,此时,比较有效的方法,就是用低通滤波器加以滤除

二、低通滤波器的表征参数

1、插入损耗

低通滤波器接入电路之后,产生的电压、电流损耗,都叫插入损耗。插入损耗可以分为共模插入损耗和差模插入损耗两种

2、纹波

纹波是指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内,插入损耗随频率在损耗均值曲线上波动的峰-峰值

3、截止频率

截止频率是指低通滤波器的通带的右边的频点,通常以1dB或3dB的相对损耗点来定义。低通滤波器的相对损耗的参考基准为DC处插入损耗

低通滤波器典型电路结构图

 

 11、小信号采集、隔离、滤波、偏置、放大模块_天翼小余的博客-CSDN博客

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