利用信號調節器的抗混淆濾波器 實(shí)現混合信號、多模態(tài)傳感器調節

引言

一些傳感器信號調節器用于處理多個(gè)傳感元件的輸出。這種處理過(guò)程通常由多模態(tài)、混合信號調節器完成，它可以同時(shí)處理數個(gè)傳感元件的輸出。本文對這類(lèi)傳感器信號調節器中抗混淆濾波器的工作情況進(jìn)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(chǎn)生的電信號都很小，并且為非理想狀態(tài)，例如：溫度漂移和非線(xiàn)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(chǎn)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(tài)進(jìn)行校準。

多模態(tài)信號調節

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

混合信號信號調節

傳感器信號調節的另一個(gè)方面是發(fā)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(fā)生在模擬域內。在如PGA400等器件中，信號調節同時(shí)發(fā)生在模擬和數字域內。后一種情況被稱(chēng)作“混合信號信號調節”。

混合信號調節器的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是模數轉換器(ADC)。圖1顯示了一個(gè)多模態(tài)、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(gè)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(gè)信號，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)處理之后的輸出。

圖1 多模態(tài)、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(gè)重要方面是，將連續時(shí)間模擬域信號離散化為離散時(shí)間數字域信號。換句話(huà)說(shuō)，混合信號調節器為采樣系統。因此，著(zhù)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(gè)信號通路中的放大器均對信號帶寬進(jìn)行限制，以滿(mǎn)足尼奎斯特準則要求。換句話(huà)說(shuō)，放大器放大信號的同時(shí)，進(jìn)行必要的抗混淆(限制帶寬)，以滿(mǎn)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(jìn)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(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?xún)r(jià)比的例子，其中，兩個(gè)模擬信號通路共用一個(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(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(mǎn)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(jìn)入基帶。也就是說(shuō)，3kHz將出現在3kHz下，甚至是在數字域內。