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池）将物理量转化为电信号。这些电信号通常较弱，并且会受到一些非理想因素的影响，如温度漂移和非线性传递函数。因此，需要通过信号调理电路（如放大器）对信号进行放大、过滤和转换，使其适合后续的处理。

以德州仪器（TI）的LMP91000和PGA400/450为例，这些信号调理器不仅可以放大传感器输出的微弱信号，还能处理信号中的非理想效应。

2. 多模态信号调理#

在一些应用中，需要同时处理来自多个传感器元件的信号。例如，在测量压阻桥的输出时，通常还需要测量温度传感器的输出。类似地，处理热电偶输出时，也需要测量接头温度，以便进行冷接点补偿。当多个传感器信号通过同一信号调理器处理时，便形成了多模态信号调理系统。

3. 混合信号信号调理#

在传感器信号调理中，有些信号处理是在模拟域完成的，而有些则在数字域中进行。例如，TI的PGA309是一个在模拟域对电阻桥传感器元件信号进行调理的设备。而在PGA400中，信号调理既涉及模拟信号处理，也涉及数字信号处理，这种方式被称为混合信号信号调理。

混合信号系统的关键组件之一是模数转换器（ADC），其作用是将连续时间的模拟信号转换为离散时间的数字信号。在混合信号传感器信号调理中，需要满足奈奎斯特采样准则，以避免信号混叠现象。

4. 奈奎斯特准则与反混叠滤波器#

奈奎斯特准则指出，采样频率必须是信号带宽的两倍，才能避免混叠。在混合信号传感器信号调理中，模拟放大器不仅负责放大信号，同时还需要提供必要的带宽限制，以满足奈奎斯特准则。这种带宽限制通常通过反混叠滤波器实现。反混叠滤波器的主要作用是削弱高于信号带宽的频率成分，防止它们混叠进有效信号的频带。

5. 模拟信号路径共享的成本效益#

为了降低电路成本，有时两个传感器信号路径会共享同一个放大器和ADC。在这种情况下，可能会引入一些不希望看到的外部正弦波成分，如由于电磁干扰（EMI）或相邻电路的干扰所造成的噪声。这些噪声如果在采样过程中被混叠到有效频带内，可能会影响系统的性能。

例如，如果放大器的带宽为5 kHz，而ADC的采样频率为10 kHz，在两条信号路径交替采样时，某些3 kHz的噪声成分可能会被混叠到基带频率（0-2.5 kHz）内，从而影响信号的质量。

6. 宽带白噪声的影响与解决方案#

在信号路径中，宽带白噪声是一个常见的噪声源。为了提高信噪比（SNR），通常会使用数字滤波器来进一步削弱不需要的噪声频率。在混合信号传感器信号调理系统中，放大器带宽的选择对系统的噪声特性有重要影响。例如，如果放大器带宽较大，噪声可能会通过反混叠滤波器被压制；如果带宽较小，则噪声将被限制在较窄的频带内，从而改善SNR。

7. 结论#

在多模态混合信号传感器信号调理中，反混叠滤波器的带宽选择对于去除不需要的信号和达到所需的信噪比至关重要。特别是在使用Sigma-Delta调制ADC的情况下，未稳定的采样值应当被丢弃，以避免对系统性能的影响。通过合理设计模拟前端的带宽和数字滤波器的参数，可以显著提高系统的信号质量，确保有效的信号处理。

参考文献#

• Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, Digital Signal Processing. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1975.

通过以上分析，我们可以更好地理解反混叠滤波器在传感器信号调理中的作用，并且在实际设计中灵活应用这些知识，以优化系统性能。