1. 传感器信号调理基础#

传感器元件（如压阻桥、压电传感器和电化学电极）是物理世界与电子系统的接口。然而，传感器输出的原始电信号通常存在以下挑战：

• 信号微弱：幅度通常在 或 级别。
• 高输出阻抗：易受负载效应影响。
• 非理想特性：包含显著的温度漂移、零点偏移和非线性。

因此，信号调理电路（Signal Conditioning）的核心任务是：通过仪表放大器（InA）或可编程增益放大器（PGA）进行精密放大，并进行必要的滤波和线性化处理。

2. 多模态信号调理：补偿与关联#

在复杂的工程应用中，单一物理量的测量往往不足以达到高精度。多模态信号调理是指系统同时采集并处理多个相关联的传感器信号：

• 冷接点补偿：热电偶测温时，必须同时采集环境温度（热敏电阻或半导体传感器）。
• 压力补偿：压阻式压力传感器在不同温度下的灵敏度不同，需同步采集桥路电阻随温度的变化。

当这些异构信号共用一套调理路径或 ADC 时，便构成了一个多模态信号处理系统。

3. 混合信号调理中的采样瓶颈#

现代系统通常将信号处理任务分布在模拟域（放大、粗滤）和数字域（精细滤波、线性化补偿）。

• 模拟调理（如 TI PGA309）：响应速度快，无量化噪声。
• 混合信号调理（如 TI PGA400）：利用 ADC 将信号数字化，在 MCU/DSP 中进行复杂的数学建模。

数字化过程的关键在于采样（Sampling）。根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样频率 必须至少大于信号最高频率成分 的两倍，即 ，否则将发生不可逆的混叠（Aliasing）。

4. 反混叠滤波器（AAF）的关键作用#

反混叠滤波器（Anti-Aliasing Filter, AAF）是放置在 ADC 之前的低通滤波器。其核心目的不是滤除有效频带内的噪声，而是压制高于 的频率成分。

如果在进入 ADC 之前没有有效地过滤掉高频噪声或干扰信号，这些成分会“折叠”回 Nyquist 带内，表现为无法通过数字滤波去除的低频干扰。

5. 多路径共享与开关切换的陷阱#

为了平衡成本与空间，多通道系统常采用**模拟多路复用器（MUX）**共享同一个放大器和 ADC。这种设计引入了新的风险：

• 开关干扰：MUX 切换瞬间产生的电荷注入。
• 带宽限制冲突：如果放大器带宽设得太窄以实现低通滤波，则信号在切换后的**建立时间（Settling Time）**会变长，导致采样误差。
• 案例分析：若系统采样率为 10 kHz，存在一个 7 kHz 的干扰信号。如果没有 AAF 压制，该 7 kHz 信号将混叠在 3 kHz 处（），直接干扰 0-5 kHz 的有效频带。

6. 宽带白噪声与信噪比优化#

宽带白噪声分布在整个频谱中。反混叠滤波器通过限制进入 ADC 的噪声总量，初步改善了信噪比（SNR）。

在现代 ** ADC** 架构中，由于采用了过采样（Oversampling）技术，反混叠滤波器的设计要求可以大幅放宽（通常简单的单阶 RC 即可）。然而，这并不意味着 AAF 不重要，它仍然是防止高频射频干扰（RFI）和极高频噪声进入量化环路的最后一道屏障。

7. 结论与实战建议#

在设计多模态混合信号调理系统时，应遵循以下原则：

1. 带宽匹配：反混叠滤波器的截止频率应略高于有效信号带宽，但远低于采样率的一半。
2. 建立时间优先：在使用 MUX 切换通道的应用中，模拟前端的带宽必须足够宽，以确保在 ADC 采样前信号已完全稳定。
3. 丢弃首个样本：在切换通道后的第一个 ADC 采样值通常包含未稳定的残余信息，应在算法中予以丢弃。
4. 数字协同：利用数字滤波器（如 FIR 或 IIR）进行二次降噪，但这前提是模拟 AAF 已经成功阻止了混叠。