引言
一些傳感器信號調(diào)節(jié)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(tài)、混合信號調(diào)節(jié)器完成,它可以同時處理數(shù)個傳感元件的輸出。本文對這類傳感器信號調(diào)節(jié)器中抗混淆濾波器的工作情況進行詳細(xì)分析。
傳感器信號調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)知識
傳感元件(變送器)將有用的物理信號轉(zhuǎn)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)生的小信號放大到可用水平。PGA400/450包含完整的信號調(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)進行校準(zhǔn)。
多模態(tài)信號調(diào)節(jié)
通常,為了實現(xiàn)信號調(diào)節(jié)或者更高級別的監(jiān)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(diào)節(jié)器對多個傳感元件進行處理的情況被稱作“多模態(tài)信號調(diào)節(jié)”。
混合信號信號調(diào)節(jié)
傳感器信號調(diào)節(jié)的另一個方面是發(fā)生信號調(diào)節(jié)的電域。德州儀器PGA309器件的電阻橋傳感元件的信號調(diào)節(jié)發(fā)生在模擬域內(nèi)。在如PGA400等器件中,信號調(diào)節(jié)同時發(fā)生在模擬和數(shù)字域內(nèi)。后一種情況被稱作“混合信號信號調(diào)節(jié)”。
混合信號調(diào)節(jié)器的一個關(guān)鍵組成部分是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。圖1顯示了一個多模態(tài)、混合信號傳感器信號調(diào)節(jié)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(chǎn)生經(jīng)過處理之后的輸出。
圖1多模態(tài)、混合信號傳感器信號調(diào)節(jié)器
尼奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則
混合信號傳感器信號調(diào)節(jié)的一個重要方面是,將連續(xù)時間模擬域信號離散化為離散時間數(shù)字域信號。換句話說,混合信號調(diào)節(jié)器為采樣系統(tǒng)。因此,著名的尼奎斯特采樣準(zhǔn)則適用于混合信號傳感器信號調(diào)節(jié)。簡單來說,該準(zhǔn)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(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)則要求。
圖1還顯示了信號通路中的數(shù)字濾波器。這些數(shù)字濾波器用于降低信號帶寬,從而進一步幫助改善系統(tǒng)的信噪比(SNR)。
多余的正弦波信號
對于一些應(yīng)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(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(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信號被數(shù)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(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,并且兩個傳感元件的信號被依次采樣,則數(shù)字濾波器在衰減多余3kHz信號方面不起作用。這是因為,傳感元件1信號的有效采樣頻率僅為5kHz,盡管ADC采樣率為10kHz.因此,3kHz會進入基帶(即表現(xiàn)為帶內(nèi)信號),從而讓數(shù)字濾波器在消除多余信號方面不起作用。
請注意,為了防止出現(xiàn)多余信號失真,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2.5kHz數(shù)字濾波器;數(shù)字化信號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所示信號通路會產(chǎn)生多余寬帶白噪聲。為了研究和清楚地理解這個問題,我們假設(shè)信號通路沒有任何多余正弦波分量。同時,我們還假設(shè),相比量化噪聲,信號通路的白噪聲是主要噪聲源(這類信號通路的常見情況)。
白噪聲抗混淆濾波器:案例1
由于存在圖1所示獨立信號通路,每個5kHz放大器都起到一個抗混淆濾波器的作用,從而將各個信號的白噪聲帶寬限制在5kHz.數(shù)字濾波器進一步將這種帶寬降至2.5kHz,從而實現(xiàn)某個信白噪比。
由于圖2所示兩個模擬信號通路共用一個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)對兩個傳感元件輸出進行依次采樣)。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,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MATLAB?/Simulink?模型,其用于分析信號通路構(gòu)架對多余寬帶白噪聲的影響。該模型同
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