儀器儀表設(shè)備在現(xiàn)場測試過程中,由于生產(chǎn)變量的測試數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程具有重要的意義,因此對各種物理量測試數(shù)據(jù)精度要求是比較高的。

        在前向測試通道上采用的抗干擾措施中,濾波方法是抑制干擾的一種有效途徑。在工業(yè)現(xiàn)場中,可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法,技術(shù)比較成熟,但同時(shí)也增加了設(shè)備,提高了成本,而且電子設(shè)備的增加有可能帶來新的干擾源。而采用軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備,可靠性高,功能多樣,使用靈活,具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)然它需要占一定的運(yùn)行時(shí)間。

         2常用的幾種軟件濾波方法

       （1）中值濾波法：即每次取N個(gè)AD值,去除其中的zui大值和zui小值而取剩余的N-2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換值的平均值。

       （2）程序判斷濾波法：即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定出兩次采樣的zui大偏差ΔY,若先后兩次采樣的信號(hào)相減數(shù)值大于ΔY,表明輸入為干擾信號(hào),應(yīng)去除;用上次采樣值與本次采樣值比較,若小于或等于Δ Y,表明沒有受到干擾,此時(shí)本次采樣值有效,這樣可以濾去隨機(jī)干擾和傳感器不穩(wěn)定而引起的誤差。

        （3）利用格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則進(jìn)行處理：根據(jù)誤差理論,要有效地剔除偶然誤差,一般要測量10次以上,兼顧到精度和響應(yīng)速度,取15次為一個(gè)單位。在取得的15個(gè)數(shù)據(jù)中,有些可能含有較大的誤差,需要對它們分檢,剔除可疑值,提高自適應(yīng)速度。對可疑值的剔除有多種準(zhǔn)則,如萊以達(dá)準(zhǔn)則、肖維勒（Chauvenet）準(zhǔn)則、格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則等。以Grubbs準(zhǔn)則為例,它認(rèn)為若某測量值 xi對應(yīng)的殘差Vi滿足下式

          Vi = xi- >g（n,a）× σ（X）

         時(shí)應(yīng)將該數(shù)據(jù)舍去。式中,為n次采集到的AD 值的平均值,=（∑xi）/n ;σ（X）為測量數(shù)據(jù)組的標(biāo)準(zhǔn)差,由貝塞爾函數(shù)可得： σ（X）=[（∑Vi2 ）/（n-1）]1/2;g（n, a）是取決于測量次數(shù)n和顯著性水平a （相當(dāng)于犯“棄真” 錯(cuò)誤的概率系數(shù)）,a通常取0.01或0.05。通過查表可得：當(dāng) n=15時(shí),a=0.05, g（n,a）=2.41。

        把15次采集到的AD值存入一個(gè)數(shù)組中然后求平均值,計(jì)算殘差,求標(biāo)準(zhǔn)差σ（X）。將殘差值與2.41倍的標(biāo)準(zhǔn)差σ（X）比較。剔除可疑值以后,再求平均值,求出新的平均值以后,應(yīng)再重復(fù)以上過程,驗(yàn)證是否還有可疑值存在。據(jù)我們對測量裝置大量的實(shí)際測試結(jié)果看,這樣做沒有什么必要,因?yàn)橐话阒挥?遍即可達(dá)到要求。

        然而這種方法也有它的不足, 利用Grubbs準(zhǔn)則需要處理大量的數(shù)據(jù),而在一般的工業(yè)現(xiàn)場測試設(shè)備中,儀表結(jié)構(gòu)大多采用嵌入式結(jié)構(gòu),如AVR單片機(jī)。這些MCU程序空間和數(shù)據(jù)空間有限,若處理大量數(shù)據(jù),難以滿足資源要求。而且,由于Grubbs準(zhǔn)則要求MCU進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理,使得系統(tǒng)降低了信號(hào)采集速率,影響實(shí)時(shí)性。

       3.AD7705內(nèi)置的數(shù)字濾波器

       上述的幾種軟件濾波方法對抑制個(gè)別的異常數(shù)據(jù)方面具有一定作用,然而對于由工頻干擾引起的平穩(wěn)隨機(jī)干擾信號(hào)不太理想。隨著近幾年來集成電路的快速發(fā)展,一些數(shù)字濾波器也集成到數(shù)據(jù)處理芯片當(dāng)中,而且數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)通過軟件可編程實(shí)現(xiàn),具有極大的靈活性和實(shí)用性。

        AD7705有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

      （1）差分輸入通道ADC,具有16位無丟失代碼和0.003%非線形誤差;

      （2）MCU的接口為串行的三線接口模式;

      （3）可編程增益1～128,信號(hào)極性以及更新速率配置有工作寄存器,通過對寄存器的操作可以選擇等;

      （4） 器件還包括自標(biāo)定和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能,以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和編程誤差;

      （5） 內(nèi)帶數(shù)字信號(hào)處理電路,由軟件可編程進(jìn)行設(shè)置。

        引腳排列如圖1。

        主要管腳說明如下：

        MCLK IN：為轉(zhuǎn)換器提供主時(shí)鐘信號(hào),能以晶體/諧振器或外部時(shí)鐘的形式提供。

        MCLK OUT：當(dāng)主時(shí)鐘為晶體/諧振器時(shí),晶體諧振器被接在MCLK IN和MCLK OUT之間;如果在MCLK IN引腳處連接一個(gè)外部時(shí)鐘,MCLK OUT將提供一個(gè)反向時(shí)鐘信號(hào)。

        CS ：片選,低電平有效的邏輯輸入。

        A1N2（+）[A1N1]：對于AD7705,差分模擬輸入通道2的正輸入端;對于AD7706,模擬輸入通道1的輸入端。

        A1N1（+）[A1N2]：差分模擬輸入通道1的正輸入端。

        A1N1（-）[COMMON]：差分模擬輸入通道1的負(fù)輸入端。

        A1N2（-）[A1N3]：差分輸入模擬通道2的負(fù)輸入端。

        DRDY ：邏輯輸出。這個(gè)輸出端上的邏輯低電平表示可從AD7705的數(shù)字寄存器獲取新的輸出字。

        DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。

        DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。

        SCLK：串行時(shí)鐘,施密特邏輯輸入。

        圖2給出了一個(gè)完整的前向測試通道,圖中 AD7705可直接接收傳感器輸入信號(hào),而不用外接信號(hào)調(diào)理電路,模擬量輸出增益可實(shí)現(xiàn)軟件可編程調(diào)節(jié)。輸出的AD值通過SPI三線口模式發(fā)送給MCU。圖中,MCU采用的是P87LPC764,它是 PHILIPS公司新推出的增強(qiáng)型8位單片機(jī),內(nèi)核與MCS51系列兼容,內(nèi)置電源檢測、看門狗WDT 、 IIC總線等資源。 AD7705的數(shù)據(jù)接口采用了SPI接口標(biāo)準(zhǔn)。SPI 接口利用4根線可完成主從之間的數(shù)據(jù)通信。接口非常方便。這4根口線分別為時(shí)鐘線（SCLK）、數(shù)據(jù)輸入線（SDI）、數(shù)據(jù)輸出線（SDO）和片選線（CS）。DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳輸數(shù)據(jù),而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號(hào),以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時(shí),DRDY變?yōu)榈碗娖?在數(shù)據(jù)寄存器更新前,若DRDY變?yōu)楦唠娖?則提示這個(gè)時(shí)候不讀數(shù)據(jù),以免在寄存器更新的過程中讀數(shù)據(jù)。CS作為片選信號(hào),在本電路中由于只用一片AD7705故CS端接地。

        3.2 低通濾波及陷波處理 濾波電容

        AD7705包含一個(gè)片內(nèi)低通濾波器,用它處理器件的∑-Δ調(diào)制器的輸出信號(hào)。所以,該器件不僅提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,而且還具備一定的濾波能力。AD7705內(nèi)嵌了數(shù)字低通濾波器,數(shù)字濾波發(fā)生在模-數(shù)轉(zhuǎn)換之后,它能消除模-數(shù)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的噪音。此外,數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)可編程性。依靠數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),用戶可以編程截?cái)囝l率和輸出更新頻率。

        AD7705的數(shù)字濾波器是一個(gè)低通（sin x/x）3 濾波器（也稱為sinc3）,其在Z 域的轉(zhuǎn)換功能可描述為,

        在3次域可描述為,

        參考文獻(xiàn)：

        [1] Analog Devices Preliminary Technical Information AD7705/06,2001.12. AD Public House.

        [2]黃光輝,董天臨. 16位A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器接口設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2002,3.