仪器仪表设备在现场测试过程中,由于生产变量的测试数据对生产过程具有重要的意义,因此对各种物理量测试数据精度要求是比较高的。

        在前向测试通道上采用的抗干扰措施中,滤波方法是抑制干扰的一种有效途径。在工业现场中,可利用硬件滤波器电路或软件滤波器算法提高测试数据的准确性。硬件滤波措施是使用较多的一种方法,技术比较成熟,但同时也增加了设备,提高了成本,而且电子设备的增加有可能带来新的干扰源。而采用软件滤波算法不需增加硬件设备,可靠性高,功能多样,使用灵活,具有许多硬件滤波措施所不具备的优点,当然它需要占一定的运行时间。

         2常用的几种软件滤波方法

       （1）中值滤波法：即每次取N个AD值,去除其中的zui大值和zui小值而取剩余的N-2个A/D转换值的平均值。

       （2）程序判断滤波法：即根据经验确定出两次采样的zui大偏差ΔY,若先后两次采样的信号相减数值大于ΔY,表明输入为干扰信号,应去除;用上次采样值与本次采样值比较,若小于或等于Δ Y,表明没有受到干扰,此时本次采样值有效,这样可以滤去随机干扰和传感器不稳定而引起的误差。

        （3）利用格拉布斯（Grubbs）准则进行处理：根据误差理论,要有效地剔除偶然误差,一般要测量10次以上,兼顾到精度和响应速度,取15次为一个单位。在取得的15个数据中,有些可能含有较大的误差,需要对它们分检,剔除可疑值,提高自适应速度。对可疑值的剔除有多种准则,如莱以达准则、肖维勒（Chauvenet）准则、格拉布斯（Grubbs）准则等。以Grubbs准则为例,它认为若某测量值 xi对应的残差Vi满足下式

          Vi = xi- >g（n,a）× σ（X）

         时应将该数据舍去。式中,为n次采集到的AD 值的平均值,=（∑xi）/n ;σ（X）为测量数据组的标准差,由贝塞尔函数可得： σ（X）=[（∑Vi2 ）/（n-1）]1/2;g（n, a）是取决于测量次数n和显著性水平a （相当于犯“弃真” 错误的概率系数）,a通常取0.01或0.05。通过查表可得：当 n=15时,a=0.05, g（n,a）=2.41。

        把15次采集到的AD值存入一个数组中然后求平均值,计算残差,求标准差σ（X）。将残差值与2.41倍的标准差σ（X）比较。剔除可疑值以后,再求平均值,求出新的平均值以后,应再重复以上过程,验证是否还有可疑值存在。据我们对测量装置大量的实际测试结果看,这样做没有什么必要,因为一般只有*遍即可达到要求。

        然而这种方法也有它的不足, 利用Grubbs准则需要处理大量的数据,而在一般的工业现场测试设备中,仪表结构大多采用嵌入式结构,如AVR单片机。这些MCU程序空间和数据空间有限,若处理大量数据,难以满足资源要求。而且,由于Grubbs准则要求MCU进行大量数据处理,使得系统降低了信号采集速率,影响实时性。

       3.AD7705内置的数字滤波器

       上述的几种软件滤波方法对抑制个别的异常数据方面具有一定作用,然而对于由工频干扰引起的平稳随机干扰信号不太理想。随着近几年来集成电路的快速发展,一些数字滤波器也集成到数据处理芯片当中,而且数字滤波器的设计参数通过软件可编程实现,具有极大的灵活性和实用性。

        AD7705有以下几个特点：

      （1）差分输入通道ADC,具有16位无丢失代码和0.003%非线形误差;

      （2）MCU的接口为串行的三线接口模式;

      （3）可编程增益1～128,信号极性以及更新速率配置有工作寄存器,通过对寄存器的操作可以选择等;

      （4） 器件还包括自标定和系统校准功能,以消除器件本身或系统的增益和编程误差;

      （5） 内带数字信号处理电路,由软件可编程进行设置。

        引脚排列如图1。

        主要管脚说明如下：

        MCLK IN：为转换器提供主时钟信号,能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。

        MCLK OUT：当主时钟为晶体/谐振器时,晶体谐振器被接在MCLK IN和MCLK OUT之间;如果在MCLK IN引脚处连接一个外部时钟,MCLK OUT将提供一个反向时钟信号。

        CS ：片选,低电平有效的逻辑输入。

        A1N2（+）[A1N1]：对于AD7705,差分模拟输入通道2的正输入端;对于AD7706,模拟输入通道1的输入端。

        A1N1（+）[A1N2]：差分模拟输入通道1的正输入端。

        A1N1（-）[COMMON]：差分模拟输入通道1的负输入端。

        A1N2（-）[A1N3]：差分输入模拟通道2的负输入端。

        DRDY ：逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可从AD7705的数字寄存器获取新的输出字。

        DOUT：串行数据输出端。

        DIN：串行数据输入端。

        SCLK：串行时钟,施密特逻辑输入。

        图2给出了一个完整的前向测试通道,图中 AD7705可直接接收传感器输入信号,而不用外接信号调理电路,模拟量输出增益可实现软件可编程调节。输出的AD值通过SPI三线口模式发送给MCU。图中,MCU采用的是P87LPC764,它是 PHILIPS公司新推出的增强型8位单片机,内核与MCS51系列兼容,内置电源检测、看门狗WDT 、 IIC总线等资源。 AD7705的数据接口采用了SPI接口标准。SPI 接口利用4根线可完成主从之间的数据通信。接口非常方便。这4根口线分别为时钟线（SCLK）、数据输入线（SDI）、数据输出线（SDO）和片选线（CS）。DIN线用来向片内寄存器传输数据,而DOUT线用来访问寄存器里的数据。SCLK是串行时钟输入,所有的数据传输都和SCLK信号有关。DRDY线作为状态信号,以提示数据什么时候已准备好从寄存器读数据。输出寄存器中有新的数据时,DRDY变为低电平,在数据寄存器更新前,若DRDY变为高电平,则提示这个时候不读数据,以免在寄存器更新的过程中读数据。CS作为片选信号,在本电路中由于只用一片AD7705故CS端接地。

        3.2 低通滤波及陷波处理 滤波电容

        AD7705包含一个片内低通滤波器,用它处理器件的∑-Δ调制器的输出信号。所以,该器件不仅提供模数转换功能,而且还具备一定的滤波能力。AD7705内嵌了数字低通滤波器,数字滤波发生在模-数转换之后,它能消除模-数转换过程中产生的噪音。此外,数字滤波器容易实现可编程性。依靠数字滤波器设计,用户可以编程截断频率和输出更新频率。

        AD7705的数字滤波器是一个低通（sin x/x）3 滤波器（也称为sinc3）,其在Z 域的转换功能可描述为,

        在3次域可描述为,

        参考文献：

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

        [2]黄光辉,董天临. 16位A/D转换器与微控制器接口设计[J]. 现代电子技术, 2002,3.