利用信號(hào)調(diào)節(jié)器的抗混淆濾波器 實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)、多模態(tài)傳感器調(diào)節(jié)

　　引言

　　一些傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器用于處理多個(gè)傳感元件的輸出。這種處理過(guò)程通常由多模態(tài)、混合信號(hào)調(diào)節(jié)器完成，它可以同時(shí)處理數(shù)個(gè)傳感元件的輸出。本文對(duì)這類(lèi)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器中抗混淆濾波器的工作情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)知識(shí)

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

　　傳感器模擬前端(例如：德州儀器LMP91000)和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器(例如：德州儀器PGA400/450)，用于把這些傳感元件所產(chǎn)生的小信號(hào)放大到可用水平。PGA400/450包含完整的信號(hào)調(diào)節(jié)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?qū)@些傳感元件的非理想狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　多模態(tài)信號(hào)調(diào)節(jié)

　　通常，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)節(jié)或者更高級(jí)別的監(jiān)控，我們需要對(duì)多個(gè)傳感元件的輸出進(jìn)行測(cè)量。例如，處理某個(gè)典型壓阻橋的輸出，便要求同時(shí)對(duì)橋和溫度傳感器的輸出進(jìn)行測(cè)量。同樣，處理熱電偶的輸出，要求同時(shí)對(duì)該熱電偶和測(cè)量連接器溫度的傳感器的輸出進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量連接器溫度的目的是完成冷接點(diǎn)補(bǔ)償。同一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器對(duì)多個(gè)傳感元件進(jìn)行處理的情況被稱作“多模態(tài)信號(hào)調(diào)節(jié)”。

　　混合信號(hào)信號(hào)調(diào)節(jié)

　　傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的另一個(gè)方面是發(fā)生信號(hào)調(diào)節(jié)的電域。德州儀器PGA309器件的電阻橋傳感元件的信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)生在模擬域內(nèi)。在如PGA400等器件中，信號(hào)調(diào)節(jié)同時(shí)發(fā)生在模擬和數(shù)字域內(nèi)。后一種情況被稱作“混合信號(hào)信號(hào)調(diào)節(jié)”。

　　混合信號(hào)調(diào)節(jié)器的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。圖1顯示了一個(gè)多模態(tài)、混合信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器的框圖。該圖表明，在信號(hào)達(dá)到智能補(bǔ)償模塊以前，兩個(gè)傳感元件始終都有獨(dú)立的信號(hào)通路。之后，該模塊組合這兩個(gè)信號(hào)，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)處理之后的輸出。

　　圖1多模態(tài)、混合信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器

　　尼奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則

　　混合信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)的一個(gè)重要方面是，將連續(xù)時(shí)間模擬域信號(hào)離散化為離散時(shí)間數(shù)字域信號(hào)。換句話說(shuō)，混合信號(hào)調(diào)節(jié)器為采樣系統(tǒng)。因此，著名的尼奎斯特采樣準(zhǔn)則適用于混合信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該準(zhǔn)則是指，采樣頻率必為信號(hào)帶寬的兩倍。就圖1而言，我們假設(shè)每個(gè)信號(hào)通路中的放大器均對(duì)信號(hào)帶寬進(jìn)行限制，以滿足尼奎斯特準(zhǔn)則要求。換句話說(shuō)，放大器放大信號(hào)的同時(shí)，進(jìn)行必要的抗混淆(限制帶寬)，以滿足尼奎斯特準(zhǔn)則要求。

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

　　多余的正弦波信號(hào)

　　對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能需要降低圖1所示電路的成本。圖2顯示了一個(gè)更具性價(jià)比的例子，其中，兩個(gè)模擬信號(hào)通路共用一個(gè)放大器和一個(gè)ADC.上述兩個(gè)電路中的信號(hào)通路都有帶外正弦波分量，其會(huì)進(jìn)入傳感元件(例如，由于電磁干擾)，或者進(jìn)入信號(hào)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(hào)通路的存在，數(shù)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(jié)將對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析。

　　圖2共用一個(gè)放大器和一個(gè)ADC的模擬信號(hào)通路

　　就了方便分析，我們假設(shè)圖1和圖2的條件相同：

　　l ADC采樣率：10kHz

　　l滿足尼奎斯特準(zhǔn)則的放大器帶寬：5kHz

　　l信號(hào)帶或者數(shù)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(hào)被數(shù)字濾波器有效衰減。這是因?yàn)?kHz信號(hào)未進(jìn)入基帶。也就是說(shuō)，3kHz將出現(xiàn)在3kHz下，甚至是在數(shù)字域內(nèi)。

　　但是，如果相同的5kHz放大器用于圖2所示電路，并且兩個(gè)傳感元件的信號(hào)被依次采樣，則數(shù)字濾波器在衰減多余3kHz信號(hào)方面不起作用。這是因?yàn)椋瑐鞲性?信號(hào)的有效采樣頻率僅為5kHz，盡管ADC采樣率為10kHz.因此，3kHz會(huì)進(jìn)入基帶(即表現(xiàn)為帶內(nèi)信號(hào))，從而讓數(shù)字濾波器在消除多余信號(hào)方面不起作用。

　　請(qǐng)注意，為了防止出現(xiàn)多余信號(hào)失真，并滿足尼奎斯特準(zhǔn)則要求，放大器帶寬必須降至2.5kHz.在這種情況下，便不再需要一個(gè)2.5kHz數(shù)字濾波器;數(shù)字化信號(hào)帶寬被模擬放大器限制在2.5kHz.

　　多余寬帶白噪聲

　　圖1和圖2所示信號(hào)通路會(huì)產(chǎn)生多余寬帶白噪聲。為了研究和清楚地理解這個(gè)問(wèn)題，我們假設(shè)信號(hào)通路沒(méi)有任何多余正弦波分量。同時(shí)，我們還假設(shè)，相比量化噪聲，信號(hào)通路的白噪聲是主要噪聲源(這類(lèi)信號(hào)通路的常見(jiàn)情況)。

　　白噪聲抗混淆濾波器：案例1

　　由于存在圖1所示獨(dú)立信號(hào)通路，每個(gè)5kHz放大器都起到一個(gè)抗混淆濾波器的作用，從而將各個(gè)信號(hào)的白噪聲帶寬限制在5kHz.數(shù)字濾波器進(jìn)一步將這種帶寬降至2.5kHz，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)信白噪比。

　　由于圖2所示兩個(gè)模擬信號(hào)通路共用一個(gè)5kHz放大器，因此傳感元件1的有效采樣頻率再一次為5kHz(假設(shè)對(duì)兩個(gè)傳感元件輸出進(jìn)行依次采樣)。在這種情況下，2.5kHz到5kHz的所有模擬域噪聲均進(jìn)入0kHz到2.5kHz范圍(有用頻帶)。但是，該頻率范圍內(nèi)的均方根(RMS)噪聲不受影響!換句話說(shuō)，該電路的SNR與圖1所示電路一樣。

　　仿真模型

　　圖3顯示了一個(gè)MATLAB?/Simulink?模型，其用于分析信號(hào)通路構(gòu)架對(duì)多余寬帶白噪聲的影響。該模型同