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zui大值和zui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zui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*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。

        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。

        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 濾波電容

        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,

        參考文獻：

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

        [2]黃光輝,董天臨. 16位A/D轉換器與微控制器接口設計[J]. 現代電子技術, 2002,3.