Clarificar o cenário de aplicação principal e as características do sinal

Essa é a premissa da escolha, pois as diferenças de sinal em diferentes cenários determinam diretamente os parâmetros-chave do filtro.

Para determinar o tipo de sinal e a faixa de frequência, primeiro, é necessário determinar as propriedades dos dois sinais de entrada: um sinal de baixa frequência (por exemplo, sinal bioelétrico de 0,5-100Hz, sinal de sensor de temperatura), um sinal de média frequência (por exemplo, sinal modulador de controle industrial de 4-20mA, sinal de áudio de 20Hz-20kHz) ou um sinal de alta frequência (por exemplo, sinal de amostragem de rádio-frequência, sinal de ônibus de dados de alta velocidade). Ao mesmo tempo, é necessário distinguir a frequência do sinal útil e a frequência do sinal de interferência: por exemplo, na monitorização de vibrações, a frequência característica da falha do dispositivo pode ser de 500Hz-2kHz, enquanto a interferência pode ser a frequência de trabalho de 50/60Hz ou ruído de alta frequência; A faixa de frequência útil do sinal eletrocencefálico (EEG) é de 0,5 a 70 Hz, com interferência em frequências de trabalho e ruído eletromísico (> 100 Hz). Para canais duplos, verifique se o sinal de duas vias é um sinal diferencial homogêneo (como entrada de sensor diferencial, que requer supressão de modo comum) ou um sinal independente (como sinal de vibração de dois pontos de medição diferentes, que requer filtragem independente).

De acordo com o teorema de amostragem de Nyquist, a taxa de amostragem deve ser maior do que o dobro da frequência máxima do sinal, e geralmente é tomada 2,5-4 vezes em aplicações reais para garantir o efeito de filtragem. A capacidade de amostragem sincronizada dos filtros de dois canais é essencial: se os sinais de dois canais exigirem um alinhamento temporal rigoroso (por exemplo, medição da diferença de fase, análise vetorial), é necessário escolher um filtro que suporte a amostragem sincronizada de dois canais para evitar atrasos de amostragem entre canais; Se os requisitos de sincronização forem baixos, é possível escolher um modelo de amostragem assíncrona.

Ampliação do sinal e faixa dinâmica Define a amplitude do sinal (por exemplo, grau mV, grau V) e se há grandes flutuações na faixa dinâmica (por exemplo, sinais de choque em cenários industriais). Isso determina o alcance de entrada e o número de bits do filtro (por exemplo, filtros integrados ADC de 12, 16 e 24 bits), e quanto maior o número de bits, maior a resolução de sinais fracos.

Indicadores de desempenho básicos do filtro de foco

O desempenho dos filtros digitais de dois canais afeta diretamente o efeito do processamento de sinais, com foco nos seguintes indicadores:

Tipos de filtro Os principais tipos de filtros digitais correspondentes incluem low-pass, high-pass, band-pass e band-barrier, que devem ser selecionados de acordo com as necessidades de supressão de interferência:

Para manter sinais úteis de baixa frequência e filtrar interferências de alta frequência, escolha um filtro de baixa passagem (por exemplo, processamento de sinais bioelétricos);

Para manter as características de alta frequência e filtrar a deriva de baixa frequência, escolha o filtro de alta passagem (por exemplo, sinal de impacto vibratório);

Para extrair um sinal de faixa de frequência específica e, ao mesmo tempo, filtrar interferências de alta e baixa frequência, selecione um filtro de transmissão de banda (por exemplo, desregulação de sinal de rádio-frequência, extração de frequência de características de falha);

Para suprimir uma determinada frequência de interferência fixa (por exemplo, frequência de trabalho 50/60Hz), escolha um filtro de resistência de banda (também chamado de trapper).

Os filtros de dois canais devem suportar dois tipos de filtro de configuração independente (por exemplo, um low-pass, um bandpass) ou duas configurações idênticas para atender às necessidades da aplicação.

Indicadores de passagem e bloqueio

Frequência de corte de banda (fp): precisa cobrir com precisão a faixa de frequência do sinal útil, a atenuação dentro da banda (Ap) menor quanto melhor, geralmente exige Ap≤1dB para evitar a distorção do sinal útil;

Frequência de corte da faixa de bloqueio (fs): a faixa de frequência do sinal de interferência precisa ser coberta, quanto maior a atenuação (As) dentro da faixa de bloqueio, melhor, por exemplo, quando a interferência da frequência de trabalho é inibida, As≥40dB pode reduzir eficazmente a amplitude de interferência;

Largura de banda de transição: a banda de transição é o intervalo de frequência da banda de passagem para a banda de bloqueio, quanto mais estreita a largura, mais seletiva a frequência do filtro, mas maior a complexidade do algoritmo. Cenários exigentes em tempo real, como o monitoramento on-line industrial, podem aceitar faixas de transição ligeiramente mais largas, enquanto cenários de análise de alta precisão em laboratório exigem faixas de transição estreitas.

O isolamento de canal e a relação de inibição de modo comum (CMRR) são indicadores chave para filtros de dois canais, especialmente para cenários de sinais diferenciais ou fortes interferências:

Isolamento do canal: refere-se ao grau de interferência mútua entre os dois sinais, quanto maior o grau de isolamento (por exemplo, ≥80dB), mais é possível evitar a interferência de um sinal para o outro;

Relação de inibição de modo comum (CMRR): Quanto maior for a CMRR para filtros de dois canais de entrada diferencial (por exemplo, ≥ 100dB@50Hz Quanto melhor o efeito de supressão da interferência do modo comum (como ruído de frequência de trabalho, interferência do circuito terrestre), adequado para o processamento do sinal do sensor no campo industrial.

As características de fase dos diferentes algoritmos de filtro diferem muito, afetando diretamente a fidelidade de fase do sinal:

Filtro de fase linear (como filtro FIR): a fase dentro da faixa de passagem é proporcional à frequência, sem distorção de fase após o filtro, adequado para cenários que exigem a retenção de informações de fase (como medição de diferença de fase, posicionamento de ondas sonoras, análise de sequências temporais de sinais bioelétricos);

Filtros de fase não lineares (por exemplo, filtros IIR): distorção de fase é grande, mas a complexidade dos algoritmos é baixa e a velocidade de cálculo é rápida, adequada para cenários que exigem menos fase (por exemplo, simples monitoramento de amplitude, supressão de ruído).

Em aplicações de dois canais, para analisar a diferença de fase de dois sinais, é necessário escolher um filtro de fase linear de dois canais para evitar que o desvio de fase entre os canais cause erros de medição.

Tempo real e complexidade de algoritmos

Em cenários exigentes em tempo real (como circuito fechado de controle industrial, monitoramento de sinais de alta velocidade), escolha o filtro IIR ou o filtro FIR leve, que é pequeno e pode ser executado rapidamente em dispositivos embutidos (como MCUs, FPGAs);

Cenários de análise de alta precisão em laboratório (sem pressão em tempo real) com a opção de algoritmos de filtragem modernos, como filtros FIR de nível superior ou transformações de ondas pequenas, para obter uma melhor seletividade de frequência e propriedades de fase.

Ao mesmo tempo, deve prestar atenção à taxa de transferência de dados do filtro, para atender às necessidades de taxa de amostragem de sinais de dois canais e evitar o desbordamento de cache de dados.

Compatibilidade de hardware e sistema

Interfaces de hardware e formas de integração Os filtros digitais de dois canais incluem módulos independentes (por exemplo, placas de filtro), filtros integrados no cartão de captação e filtros algoritmicos de software (por exemplo, programas de filtro LabVIEW e MATLAB baseados em PC):

Aplicações embutidas de campo industrial, escolha prioritária de módulos de filtro de hardware, forte capacidade anti-interferência, sem depender da máquina superior;

Cenário de teste de laboratório, filtro de algoritmo de software selecionável, alta flexibilidade, parâmetros ajustáveis ​​em tempo real;

Confirme o tipo de interface do filtro (por exemplo, USB, Ethernet, SPI、I2C）， Certifique-se de ser compatível com controladores (MCU, PLC, controladores industriais).

Fornecimento de energia e cenários industriais de adaptação ambiental devem considerar a gama de temperatura de funcionamento do filtro (por exemplo, -40 ° C-85 ° C), capacidade de interferência eletromagnética (por exemplo, em conformidade com a certificação EMC); Os dispositivos portáteis precisam prestar atenção às características de baixo consumo de energia; Os cenários de laboratório exigem menos ambientes.