數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)在A/D轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

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，去除其中的最大值和最小值而取剩余的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)確定出兩次采樣的最大偏差ΔY，若先后兩次采樣的信號相減數(shù)值大于ΔY，表明輸入為干擾信號，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)。將殘差絕對值與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)橐话阒挥械谝槐榧纯蛇_(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。

3.1 芯片介紹及應(yīng)用

目前市場上由美國AD公司新近推出的AD7705 就是一例[1]。它是內(nèi)置了數(shù)字濾波器的帶信號調(diào)理電路的16位A/D轉(zhuǎn)換器件，可應(yīng)用于低頻測量的2通道的模擬前端。該器件可以接受直接來自傳感器的低電壓輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，利用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個(gè)基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率，從而對數(shù)字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。

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，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。

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。