利用信號調節器的抗混淆濾波器 實現混合信號、多模態傳感器調節

引言

一些傳感器信號調節器用于處理多個傳感元件的輸出。這種處理過程通常由多模態、混合信號調節器完成，它可以同時處理數個傳感元件的輸出。本文對這類傳感器信號調節器中抗混淆濾波器的工作情況進行詳細分析。

傳感器信號調節器基礎知識

傳感元件(變送器)將有用的物理信號轉換為電信號，例如：用于測量壓力的壓阻橋、用于檢測超聲波的壓電傳感器以及用于測量氣體濃度的電化單元等。傳感元件產生的電信號都很小，并且為非理想狀態，例如：溫度漂移和非線性傳輸函數等。

傳感器模擬前端(例如：德州儀器LMP91000)和傳感器信號調節器(例如：德州儀器PGA400/450)，用于把這些傳感元件所產生的小信號放大到可用水平。PGA400/450包含完整的信號調節電路，以及可刺激傳感元件、管理功率并與外部控制器連接的一些電路。另外，如PGA400等器件還能夠對這些傳感元件的非理想狀態進行校準。

多模態信號調節

通常，為了實現信號調節或者更高級別的監控，我們需要對多個傳感元件的輸出進行測量。例如，處理某個典型壓阻橋的輸出，便要求同時對橋和溫度傳感器的輸出進行測量。同樣，處理熱電偶的輸出，要求同時對該熱電偶和測量連接器溫度的傳感器的輸出進行測量。測量連接器溫度的目的是完成冷接點補償。同一個信號調節器對多個傳感元件進行處理的情況被稱作“多模態信號調節”。

混合信號信號調節

傳感器信號調節的另一個方面是發生信號調節的電域。德州儀器PGA309器件的電阻橋傳感元件的信號調節發生在模擬域內。在如PGA400等器件中，信號調節同時發生在模擬和數字域內。后一種情況被稱作“混合信號信號調節”。

混合信號調節器的一個關鍵組成部分是模數轉換器(ADC)。圖1顯示了一個多模態、混合信號傳感器信號調節器的框圖。該圖表明，在信號達到智能補償模塊以前，兩個傳感元件始終都有獨立的信號通路。之后，該模塊組合這兩個信號，產生經過處理之后的輸出。

圖1 多模態、混合信號傳感器信號調節器

尼奎斯特(Nyquist)準則

混合信號傳感器信號調節的一個重要方面是，將連續時間模擬域信號離散化為離散時間數字域信號。換句話說，混合信號調節器為采樣系統。因此，著名的尼奎斯特采樣準則適用于混合信號傳感器信號調節。簡單來說，該準則是指，采樣頻率必為信號帶寬的兩倍。就圖1而言，我們假設每個信號通路中的放大器均對信號帶寬進行限制，以滿足尼奎斯特準則要求。換句話說，放大器放大信號的同時，進行必要的抗混淆(限制帶寬)，以滿足尼奎斯特準則要求。

圖1還顯示了信號通路中的數字濾波器。這些數字濾波器用于降低信號帶寬，從而進一步幫助改善系統的信噪比(SNR)。

多余的正弦波信號

對于一些應用來說，可能需要降低圖1所示電路的成本。圖2顯示了一個更具性價比的例子，其中，兩個模擬信號通路共用一個放大器和一個ADC。上述兩個電路中的信號通路都有帶外正弦波分量，其會進入傳感元件(例如，由于電磁干擾)，或者進入信號通路本身(例如，由于相鄰電路的干擾)。由于圖2所示公共信號通路的存在，數字濾波器可能在消除帶外或者多余正弦波分量方面不起作用。本小節將對該問題進行分析。

圖2 共用一個放大器和一個ADC的模擬信號通路

就了方便分析，我們假設圖1和圖2的條件相同：

l ADC采樣率：10kHz

l 滿足尼奎斯特準則的放大器帶寬：5kHz

l 信號帶或者數字濾波器帶寬：2.5kHz

l 傳感元件1通路的3kHz多余正弦波分量

在圖1所示電路中，多余3kHz信號被數字濾波器有效衰減。這是因為3kHz信號未進入基帶。也就是說，3kHz將出現在3kHz下，甚至是在數字域內。