Hallo,
ich hoffe hier im Forum kann mir jemand weiterhelfen.
Und zwar brauche ich für eine EKG-Schaltung einen Filter. Der Filter
soll Frequenzen unterhalb von 10 Hz durchlassen und alles was drüber ist
rausfiltern.
Nun nach einiger Recherche habe ich erfahren dass ein Bessel-Filter 4.
Ordnung sich gut dafür eignet als ein Tiefpass-Filter. Und da ein
IC-Baustein sehr teuer ist, möchte ich einen Filter selber
dimensionieren.
Mein Problem aber ist, wie ich diesen Filter dimensionieren soll.
http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/#/specifications
Auf dieser Seite kann man den Filter modifizieren, jedoch verstehe ich
nicht ganz welchen Wert ich für Gain benutzen soll (0 dB?)
Passband steht ja dafür, welche Frequenzen durchkommen dürfen (also bis
10 Hz, aber wieviel dB?).
Stopband müsste ja bei einem Bessel-Filter egal sein, denke ich (ist
wahrscheinlich bei einem Bandpass-Filter von Bedeutung)
Und welche Ordnung sollte mein Filter haben, wonach richtet sich dieser
Wert? Würde mir ein Bessel-Filter 1. Ordnung nicht ausreichen?
Der MF10 ist ein IC, sollte das schaffen. Auch für den gibt es Design
Tools. Ansonsten mal in den Tietze-Schenk gucken oder ein freies
Filterdesignprogramm aus dem Netz bemühen.
MaxK schrieb:> Auf dieser Seite kann man den Filter modifizieren, jedoch verstehe ich> nicht ganz welchen Wert ich für Gain benutzen soll (0 dB?)
Jo, 0db ist erstmal deine Referenz. Das Filter soll ja nicht verstärken,
sondern unerwünschte Frequenzen abschwächen.
MaxK schrieb:> Passband steht ja dafür, welche Frequenzen durchkommen dürfen (also bis> 10 Hz, aber wieviel dB?).
Im Allgemeinen ist die Grenzfrequenz des Filters diejenige, bei der das
Signal um -3db abgeschwächt wird.
MaxK schrieb:> Und welche Ordnung sollte mein Filter haben, wonach richtet sich dieser> Wert? Würde mir ein Bessel-Filter 1. Ordnung nicht ausreichen?
Schau dir die Grafik an. Wenn dir das Filter steil genug ist, nimm eines
der 1. Ordnung, ansonsten musst du höher gehen. Bassel ist recht
unkritisch in der Bauteiletoleranz, das steht aber auch bei Analog in
der Beschreibung der Filtertypen.
Mache doch deine -3dB Grenze auf deine gewünschte Frequenz von 10Hz.
Dannach erreichst du bei einem Bessel 4. Ordnung ungefähr bei 180Hz
-80dB. Die komplette Auslegung macht dir doch das Online Tool.
Das von dir gewünschte Verhalten gleicht einem perfekten Tiefpass... Ob
du wirklich einen solch starken TP brauchst musst du ja wissen.
Was eben bei solchen Filterberechnungen immer ist, dass du deine
Knickfrequenz bei -3dB angiebst. Heißt du verliest kurz vor diesem Punkt
schon an Amplitude. Wenn du dem entgegenwirken willst, nimmst du ein
Gain von +3dB und deine Knickfrequenz liegt genau bei 0dB. Ab da geht es
dann steil bergab ;-)
> Wenn du dem entgegenwirken willst, nimmst du ein
Gain von +3dB und deine Knickfrequenz liegt genau bei 0dB. Ab da geht es
dann steil bergab ;-)
Dafür hat man bei tieferen Frequenzen dann +3dB. Somit gewinnt man
dadurch bezüglich Bandbreite und Dynamikumfang gar nichts. Also besser
bei Verstärkung 1 bleiben. Bei Verstärkung 1(0dB) hat man 2 Bauteile
weniger die in die Toleranz des Tiefpasses eingehen.
Helmut S. schrieb:> Dafür hat man bei tieferen Frequenzen dann +3dB. Somit gewinnt man> dadurch bezüglich Bandbreite und Dynamikumfang gar nichts. Also ruhig> bei Verstärkung 1 bleiben.
Ich dachte bei einem eher schwachen Signal (EKG?) lieber im Pass-Bereich
auch wirklich durchzulassen und dafür in Kauf nehmen, dass man weiter
oben dann halt keine -60 sondern vielleicht "nur" -57 hat, oder hab ich
was übersehen?
Okey, erstmal vielen Dank für die Antworten.
Also d.h. wenn ich keine Verstärkung bzw. eine Verstärkung von 1 möchte,
so setze ich den Wert bei Gain auf 0dB.
Den "Stopband" brauche ich nicht zu berücksichtigen, wenn ich das
richtig verstanden habe.
Und den "Passband" setze ich ja auf die 10Hz, da ich Frequenzen oberhalb
von 10Hz rausfiltern möchte.
Der einzige Punkt ist, was ich nicht verstanden habe, was unterscheidet
-3dB von -20dB. Also klar, ich sehe das bei -20dB die Kurve steiler
abfällt als bei -3dB, aber inwiefern ich das berücksichtigen muss, ist
mir noch nicht ganz klar.
Wenn oberhalb von 10Hz die Kurve steil abfällt z.B. mit -20dB oder ganz
im Gegenteil nur mit -3dB, kann mir doch egal sein, da für mich nur
Frequenzen unterhalb von 10 Hz wichtig sind, oder nicht? Habe ich da
eventuell einen Denkfehler?
Sicher dass du einen Besselfilter brauchst? Maximalflache
Gruppenlaufzeit ist relevant? Ansonsten waere eine Tschebyschef oder
Cauer Filter vielleicht wegen steilerem Frequenzgang besser.
Du musst deine Anforderungen genauer spazifizieren. 10Hz Grenzfrequenz
und 0db Passbandgain heissen lediglich, dass bei 0Hz die Verstaerkung 1
ist und bei 10Hz 0,5. 20db entsprechen wenn ich mich recht erinnere
Faktor 10 in der Amplitude, -20db Daempfung bei 100Hz heisst also, dass
Signalanteile von 100Hz mit 0,1 gewichtet werden.
Du bist dir hoffentlich darüber im Klaren, dass der qrs-Komplex hinter
dem Filter - mal milde ausgedrückt - 'anders' aussehen wird. Falls du
nur die Pulsfrequnez brauchst oder Myo-Signale oder den 50 Hz-Brumm
unterdrücken willst, ok. Ansonsten empfiehlt sich aber, das Ganze erst
einmal zu simulieren. Vernünftige EKG-'Filterung' ist ein ziemlich
dickes Brett.
Als erstes sollte man mal den Stand der Technik ergründen. Dazu nimmt
man Google und ackert sich mal durch ein paar Dutzend Treffer durch.
Google: tiefpass ekg
Ich möchte dir doch noch mal FilterLab ans Herz legen. Damit kannst du
auch ohne tiefere Kenntnisse deine Filter ausprobieren.
Dazu hat das Programm auch noch einen Wizard.
Sofern man das Signal nicht direkt analog darstellen will, sondern
digitalisieren will, wird man die Grenze für die analoge Filterung höher
(z.B. 40-100 Hz)legen, das Signal dann digitalisieren und die
entscheidende Filterung digital machen. Ein analoger Notch bei 50 Hz
macht ggf. noch Sinn. Je AD Wandler und Abtastrate ist das analoge
Filter dann recht unkritisch.
Also das Signal gelangt von der Elektrode direkt zum
Operationsverstärker, wird hier erst verstärkt, anschließend wird es
gefiltert (50Hz rauschen soll rausgefiltert werden) und dann zum A/D
Wandler des Mikrocontrollers.
direkt von der Elektrode? Vermutlich/hoffentlich hast du da noch einen
Trennverstärker wie den guten alten AD284J mit etwas Gain dazwischen und
benutzt auch driven ground. 50 Hz zu notchen ist analog zwar gangbar,
aber aufwendig (gibt hässlichen Phasengang wie alle analogen Filter,
Bessel ist schon das Beste hier) und wird deswegen heute nur noch
digital gemacht (lässt sich z.B. durch geeignete Wahl der Abtastfrequenz
recht einfach realisieren).
