数字滤波抗干扰技术在A/D转换中的应用

1引言

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，去除其中的最大值和最小值而取剩余的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最大偏差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)。将残差绝对值与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，因为一般只有第一遍即可达到要求。

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。

3.1 芯片介绍及应用

AD7705 是内置了数字滤波器的带信号调理电路的16位A/D转换器件，可应用于低频测量的2通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电压输入信号，然后产生串行的数字输出，利用∑-Δ转换技术实现16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号，通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。

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。