A/D轉換中的數字濾波抗干擾技術 - 全文

　　1引言

　　儀器儀表設備在現場測試過程中，由于生產變量的測試數據對生產過程具有重要的意義，因此對各種物理量測試數據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。在工業現場中，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數據的準確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，技術比較成熟，但同時也增加了設備，提高了成本，而且電子設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點，當然它需要占一定的運行時間。

　　2常用的幾種軟件濾波方法

　　(1)中值濾波法：即每次

　　取N個AD值，去除其中的最大值和最小值而取剩余的N-2個A/D轉換值的平均值。

　　(2)程序判斷濾波法：即根據經驗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值大于ΔY，表明輸入為干擾信號，應去除;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，此時本次采樣值有效，這樣可以濾去隨機干擾和傳感器不穩定而引起的誤差。

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

　　|Vi|=| xi-|>g(n，a)× σ(X)

　　時應將該數據舍去。式中，為n次采集到的AD 值的平均值，=(∑xi)/n ;σ(X)為測量數據組的標準差，由貝塞爾函數可得： σ(X)=[(∑Vi2 )/(n-1)]1/2;g(n， a)是取決于測量次數n和顯著性水平a (相當于犯“棄真” 錯誤的概率系數)，a通常取0.01或0.05。通過查表可得：當 n="15時"，a=0.05, g(n，a)=2.41。

　　把15次采集到的AD值存入一個數組中然后求平均值，計算殘差，求標準差σ(X)。將殘差絕對值與2.41倍的標準差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，應再重復以上過程，驗證是否還有可疑值存在。據我們對測量裝置大量的實際測試結果看，這樣做沒有什么必要，因為一般只有第一遍即可達到要求。

　　然而這種方法也有它的不足, 利用Grubbs準則需要處理大量的數據，而在一般的工業現場測試設備中，儀表結構大多采用嵌入式結構，如AVR單片機。這些MCU程序空間和數據空間有限，若處理大量數據，難以滿足資源要求。而且，由于Grubbs準則要求MCU進行大量數據處理，使得系統降低了信號采集速率，影響實時性。

　　3.AD7705內置的數字濾波器

　　上述的幾種軟件濾波方法對抑制個別的異常數據方面具有一定作用，然而對于由工頻干擾引起的平穩隨機干擾信號不太理想。隨著近幾年來集成電路的快速發展，一些數字濾波器也集成到數據處理芯片當中，而且數字濾波器的設計參數通過軟件可編程實現，具有極大的靈活性和實用性。

　　3.1 芯片介紹及應用

　　目前市場上由美國AD公司新近推出的AD7705 就是一例[1]。它是內置了數字濾波器的帶信號調理電路的16位A/D轉換器件，可應用于低頻測量的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，然后產生串行的數字輸出，利用∑-Δ轉換技術實現16位無丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調制器的增益可編程專用前端，片內數字濾波器處理調制器的輸出信號，通過片內控制寄存器可調節濾波器的截止點和輸出更新率，從而對數字濾波器的第一個陷波進行編程。

　　AD7705有以下幾個特點：

　　(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) 器件還包括自標定和系統校準功能，以消除器件本身或系統的增益和編程誤差;

　　(5) 內帶數字信號處理電路，由軟件可編程進行設置。

　　引腳排列如圖1。

　　主要管腳說明如下：

　　MCLK IN：為轉換器提供主時鐘信號，能以晶體/諧振器或外部時鐘的形式提供。

　　MCLK OUT：當主時鐘為晶體/諧振器時，晶體諧振器被接在MCLK IN和MCLK OUT之間;如果在MCLK IN引腳處連接一個外部時鐘，MCLK OUT將提供一個反向時鐘信號。

　　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的負輸入端。

　　A1N2(-)[A1N3]：差分輸入模擬通道2的負輸入端。

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

　　DOUT：串行數據輸出端。

　　DIN：串行數據輸入端。

　　SCLK：串行時鐘，施密特邏輯輸入。

　　從AD轉換器件發展趨勢來看，目前的16位A/ D轉換器除具有較高的轉換精度外，還具有高度的集成化、可編程等特點 [2，3]。AD7705符合這些特點，其簡化的應用電路如圖2。

　　圖2給出了一個完整的前向測試通道，圖中 AD7705可直接接收傳感器輸入信號，而不用外接信號調理電路，模擬量輸出增益可實現軟件可編程調節。輸出的AD值通過SPI三線口模式發送給MCU。圖中，MCU采用的是P87LPC764，它是 PHILIPS公司新推出的增強型8位單片機，內核與MCS51系列兼容，內置電源檢測、看門狗WDT、 IIC總線等資源。 AD7705的數據接口采用了SPI接口標準。SPI 接口利用4根線可完成主從之間的數據通信。接口非常方便。這4根口線分別為時鐘線(SCLK)、數據輸入線(SDI)、數據輸出線(SDO)和片選線(CS)。DIN線用來向片內寄存器傳輸數據，而DOUT線用來訪問寄存器里的數據。SCLK是串行時鐘輸入，所有的數據傳輸都和SCLK信號有關。DRDY線作為狀態信號，以提示數據什么時候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時，DRDY變為低電平，在數據寄存器更新前，若DRDY變為高電平，則提示這個時候不讀數據，以免在寄存器更新的過程中讀數據。CS作為片選信號，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

　　AD7705包含一個片內低通濾波器，用它處理器件的∑-Δ調制器的輸出信號。所以，該器件不僅提供模數轉換功能，而且還具備一定的濾波能力。AD7705內嵌了數字低通濾波器，數字濾波發生在模-數轉換之后，它能消除模-數轉換過程中產生的噪音。此外，數字濾波器容易實現可編程性。依靠數字濾波器設計，用戶可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。

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

　　在3次域可描述為，

　　圖3是截止頻率為15.72Hz的濾波器頻率響應，這一頻率與濾波器的第一個陷波頻率(50Hz)對應，這曲線顯示從直流到300Hz。在數字濾波器采樣頻率的兩邊這個頻率曲線各重復一次。這種濾波器響應與一個平均濾波器的相似。因此，圖中的輸出速率為50Hz，濾波器的第一個陷波頻率為50Hz。這種(sin x/x)3 濾波器的陷波位置多次在第一個陷波的倍數處重復。在這些陷波處濾波器提供大于100dB 的衰減。