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(chēng)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(chēng)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(mǎn)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(mǎn)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?xún)r(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(mǎn)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)?，傳感元?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(mǎn)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。

白噪聲抗混淆濾波器：案例2

案例2中，我們假設(shè)有用信號(hào)帶為1.25kHz，其為案例1的二分之一。也就是說(shuō)，由于在1.25kHz以外沒(méi)有我們想要的信號(hào)內(nèi)容，并且噪聲帶寬限制改善了SNR，因此信號(hào)帶得到了降低。假設(shè)5kHz放大器用于抗混淆，則我們會(huì)理所當(dāng)然地得出結(jié)論：1.25kHz數(shù)字濾波器可降低帶寬，并實(shí)現(xiàn)與圖2所示電路一樣的圖1電路的SNR。但是，實(shí)際卻并非如此。利用5kHz抗混淆濾波器，兩種構(gòu)架的采樣域內(nèi)RMS噪聲相同，這的確沒(méi)有錯(cuò)，但是它們的噪聲密度卻不同。使用獨(dú)立信號(hào)通路時(shí)，采樣信號(hào)的噪聲密度為，而公共信號(hào)通路的噪聲密度為。因此，在公共模擬信號(hào)通路中使用1.25kHz限帶濾波器，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字濾波器輸出下的RMS噪聲為。該噪聲高于獨(dú)立信號(hào)通路()的RMS噪聲。也就是說(shuō)，公共信號(hào)通路的SNR比獨(dú)立信號(hào)通路差。注意，這些RMS計(jì)算均假設(shè)使用理想的濾波器，也即0dB通帶增益和無(wú)限抑止帶衰減的濾波器。

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。該模型同時(shí)包括使用獨(dú)立信號(hào)通路和公共信號(hào)通路的電路。注意，采樣縮減2模塊(downsample-by-2 block)用于表示公共信號(hào)通路依次采樣的效果。假設(shè)模擬放大器增益為10，并且為是一個(gè)四階橢圓低通濾波器。MATLAB/Simulink的FDA工具用于設(shè)計(jì)圖3所示數(shù)字濾波器，其同樣為四階橢圓低通濾波器。1

表1總結(jié)了放大器帶寬為5kHz到2.5kHz時(shí)1.25kHz數(shù)字濾波器的RMS噪聲。MATLAB“std”函數(shù)用于計(jì)算RMS噪聲。

表1 獨(dú)立和公共信號(hào)通路的RMS噪聲

使用5kHz放大器帶寬時(shí)，ADC輸出RMS值及其采樣縮減2值分別列舉在“std(x_ind)”和“std(x_com)”兩欄內(nèi)，其大概相等。也就是說(shuō)，采樣縮減不影響RMS值。因此，如果采樣縮減值在沒(méi)有進(jìn)一步數(shù)字濾波的情況下直接使用，公共信號(hào)通路的信白噪比與獨(dú)立信號(hào)通路相同。

放大器帶寬為2.5kHz時(shí)，數(shù)字濾波器輸出的RMS值列舉在“std(y_ind)”和“std(y_com)”欄內(nèi)。由這些數(shù)據(jù)，我們可以清楚地知道，1.25kHz數(shù)字濾波器的效果取決于模擬抗混淆濾波器的頻率。如果抗混淆濾波器的帶寬為2.5kHz(相當(dāng)于公共信號(hào)通路采樣頻率的一半)，則公共通路數(shù)字濾波器輸出的噪聲與獨(dú)立信號(hào)通路中數(shù)字濾波器輸出的噪聲不相上下。但是，如果抗混淆濾波器的帶寬為5kHz，則數(shù)字濾波器輸出的RMS值非常不同，從而產(chǎn)生不同的信白噪比。

圖3 MATLAB®/Simulink®仿真模型

結(jié)論

就多模態(tài)、混合信號(hào)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器而言，必須正確選擇抗混淆濾波器的帶寬，以消除多余信號(hào)和達(dá)到理想的SNR。如果使用∑-Δ調(diào)制器ADC，則必須丟棄那些在轉(zhuǎn)換之后仍不穩(wěn)定的ADC采樣。這可以進(jìn)一步降低有效采樣率。

參考文獻(xiàn)

1、《數(shù)字信號(hào)處理》，作者Alan V. Oppenheim和Ronald W. Schafer，Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall，1975年。