导言
一些传感器信号调理器用于处理多个传感元件的输出。这种处理进程一般由多模态、混合信号调理器完结，它能够一起处理数个传感元件的输出。本文对这类传感器信号调理器中抗混杂滤波器的工作状况进行详细剖析。
传感器信号调理器基础知识
传感元件(变送器)将有用的物理信号转化为电信号，例如：用于丈量压力的压阻桥、用于检测超声波的压电传感器以及用于丈量气体浓度的电化单元等。传感元件发生的电信号都很小，而且为非抱负状况，例如：温度漂移和非线性传输函数等。
传感器模仿前端(例如：德州仪器LMP91000)和传感器信号调理器(例如：德州仪器PGA400/450)，用于把这些传感元件所发生的小信号扩大到可用水平。PGA400/450包含完好的信号调理电路，以及可影响传感元件、办理功率并与外部控制器衔接的一些电路。别的，如PGA400等器材还能够对这些传感元件的非抱负状况进行校准。
多模态信号调理
一般，为了完结信号调理或许更高等级的监控，咱们需求对多个传感元件的输出进行丈量。例如，处理某个典型压阻桥的输出，便要求一起对桥和温度传感器的输出进行丈量。相同，处理热电偶的输出，要求一起对该热电偶和丈量衔接器温度的传感器的输出进行丈量。丈量衔接器温度的意图是完结冷接点补偿。同一个信号调理器对多个传感元件进行处理的状况被称作“多模态信号调理”。
混合信号信号调理
传感器信号调理的另一个方面是发生信号调理的电域。德州仪器PGA309器材的电阻桥传感元件的信号调理发生在模仿域内。在如PGA400等器材中，信号调理一起发生在模仿和数字域内。后一种状况被称作“混合信号信号调理”。
混合信号调理器的一个要害组成部分是模数转化器(ADC)。图1显现了一个多模态、混合信号传感器信号调理器的框图。该图标明，在信号到达智能补偿模块曾经，两个传感元件一直都有独立的信号通路。之后，该模块组合这两个信号，发生通过处理之后的输出。
图1 多模态、混合信号传感器信号调理器
尼奎斯特(Nyquist)原则
混合信号传感器信号调理的一个重要方面是，将接连时刻模仿域信号离散化为离散时刻数字域信号。换句话说，混合信号调理器为采样体系。因而，闻名的尼奎斯特采样原则适用于混合信号传感器信号调理。简略来说，该原则是指，采样频率必为信号带宽的两倍。就图1而言，咱们假定每个信号通路中的扩大器均对信号带宽进行约束，以满意尼奎斯特原则要求。换句话说，扩大器扩大信号的一起，进行必要的抗混杂(约束带宽)，以满意尼奎斯特原则要求。
图1还显现了信号通路中的数字滤波器。这些数字滤波器用于下降信号带宽，然后进一步协助改进体系的信噪比(SNR)。
剩余的正弦波信号
关于一些运用来说，或许需求下降图1所示电路的本钱。图2显现了一个更具性价比的比如，其间，两个模仿信号通路共用一个扩大器和一个ADC。上述两个电路中的信号通路都有带外正弦波重量，其会进入传感元件(例如，因为电磁搅扰)，或许进入信号通路自身(例如，因为相邻电路的搅扰)。因为图2所示公共信号通路的存在，数字滤波器或许在消除带外或许剩余正弦波重量方面不起作用。本末节将对该问题进行剖析。
图2 共用一个扩大器和一个ADC的模仿信号通路
就了便利剖析，咱们假定图1和图2的条件相同：
l ADC采样率：10kHz
l 满意尼奎斯特原则的扩大器带宽：5kHz
l 信号带或许数字滤波器带宽：2.5kHz
l 传感元件1通路的3kHz剩余正弦波重量
在图1所示电路中，剩余3kHz信号被数字滤波器有用衰减。这是因为3kHz信号未进入基带。也就是说，3kHz将呈现在3kHz下，乃至是在数字域内。
可是，假如相同的5kHz扩大器用于图2所示电路，而且两个传感元件的信号被顺次采样，则数字滤波器在衰减剩余3kHz信号方面不起作用。这是因为，传感元件1信号的有用采样频率仅为5kHz，虽然ADC采样率为10kHz。因而，3kHz会进入基带(即表现为带内信号)，然后让数字滤波器在消除剩余信号方面不起作用。
请留意，为了避免呈现剩余信号失真，并满意尼奎斯特原则要求，扩大器带宽有必要降至2.5kHz。在这种状况下，便不再需求一个2.5kHz数字滤波器;数字化信号带宽被模仿扩大器约束在2.5kHz。
剩余宽带白噪声
图1和图2所示信号通路会发生剩余宽带白噪声。为了研讨和清楚地了解这个问题，咱们假定信号通路没有任何剩余正弦波重量。一起，咱们还假定，比较量化噪声，信号通路的白噪声是首要噪声源(这类信号通路的常见状况)。
白噪声抗混杂滤波器：事例1
因为存在图1所示独立信号通路，每个5kHz扩大器都起到一个抗混杂滤波器的作用，然后将各个信号的白噪声带宽约束在5kHz。数字滤波器进一步将这种带宽降至2.5kHz，然后完结某个信白噪比。
因为图2所示两个模仿信号通路共用一个5kHz扩大器，因而传感元件1的有用采样频率再一次为5kHz(假定对两个传感元件输出进行顺次采样)。在这种状况下，2.5kHz到5kHz的一切模仿域噪声均进入0kHz到2.5kHz规模(有用频带)。可是，该频率规模内的均方根(RMS)噪声不受影响!换句话说，该电路的SNR与图1所示电路相同。
白噪声抗混杂滤波器：事例2
事例2中，咱们假定有用信号带为1.25kHz，其为事例1的二分之一。也就是说，因为在1.25kHz以外没有咱们想要的信号内容，而且噪声带宽约束改进了SNR，因而信号带得到了下降。假定5kHz扩大器用于抗混杂，则咱们会天经地义地得出定论：1.25kHz数字滤波器可下降带宽，并完结与图2所示电路相同的图1电路的SNR。可是，实践却并非如此。运用5kHz抗混杂滤波器，两种构架的采样域内RMS噪声相同，这确实没有错，可是它们的噪声密度却不同。运用独立信号通路时，采样信号的噪声密度为
，而公共信号通路的噪声密度为
。因而，在公共模仿信号通路中运用1.25kHz限带滤波器，会导致数字滤波器输出下的RMS噪声为
。该噪声高于独立信号通路(
)的RMS噪声。也就是说，公共信号通路的SNR比独立信号通路差。留意，这些RMS核算均假定运用抱负的滤波器，也即0dB通带增益和无限遏止带衰减的滤波器。
仿真模型
图3显现了一个MATLAB®/Simulink®模型，其用于剖析信号通路构架对剩余宽带白噪声的影响。该模型一起包含运用独立信号通路和公共信号通路的电路。留意，采样减缩2模块(downsample-by-2 block)用于表明公共信号通路顺次采样的作用。假定模仿扩大器增益为10，而且为是一个四阶椭圆低通滤波器。MATLAB/Simulink的FDA东西用于设计图3所示数字滤波器，其相同为四阶椭圆低通滤波器。1
表1总结了扩大器带宽为5kHz到2.5kHz时1.25kHz数字滤波器的RMS噪声。MATLAB“std”函数用于核算RMS噪声。
表1 独立和公共信号通路的RMS噪声
运用5kHz扩大器带宽时，ADC输出RMS值及其采样减缩2值别离罗列在“std(x_ind)”和“std(x_com)”两栏内，其大约持平。也就是说，采样减缩不影响RMS值。因而，假如采样减缩值在没有进一步数字滤波的状况下直接运用，公共信号通路的信白噪比与独立信号通路相同。
扩大器带宽为2.5kHz时，数字滤波器输出的RMS值罗列在“std(y_ind)”和“std(y_com)”栏内。由这些数据，咱们能够清楚地知道，1.25kHz数字滤波器的作用取决于模仿抗混杂滤波器的频率。假如抗混杂滤波器的带宽为2.5kHz(相当于公共信号通路采样频率的一半)，则公共通路数字滤波器输出的噪声与独立信号通路中数字滤波器输出的噪声平起平坐。可是，假如抗混杂滤波器的带宽为5kHz，则数字滤波器输出的RMS值十分不同，然后发生不同的信白噪比。
图3 MATLAB®/Simulink®仿真模型
定论
就多模态、混合信号传感器信号调理器而言，有必要正确挑选抗混杂滤波器的带宽，以消除剩余信号和到达抱负的SNR。假如运用∑-Δ调制器ADC，则有必要丢掉那些在转化之后仍不安稳的ADC采样。这能够进一步下降有用采样率。
参考文献
1、《数字信号处理》，作者Alan V. Oppenheim和Ronald W. Schafer，Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall，1975年。
