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摘要：數(shù)字濾波技術(shù)是信號(hào)處理中一種重要的去噪消除干擾方法。通過(guò)分析，在介紹嵌入式計(jì)算機(jī)和24位A／D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，給出了數(shù)字濾波的一般方法和步驟，研究了平均值濾波、零點(diǎn)偏移濾波和輸入短路本機(jī)噪聲濾波3種數(shù)字濾波方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)字濾波技術(shù)在精密測(cè)量?jī)x表中能提高儀表的測(cè)量精度，具有良好的實(shí)用性。
0 引言
嵌入式計(jì)算機(jī)在測(cè)量?jī)x表中的廣泛應(yīng)用，為精密測(cè)量?jī)x表中實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波創(chuàng)造了良好條件，特別是在微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x表中，數(shù)字濾波的作用更加突出，不僅對(duì)抑制噪聲、消除干擾能夠起到輔助作用，而且對(duì)提高儀表的測(cè)量精度、減小測(cè)量誤差具有重要作用。以下通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置研制中所采用的數(shù)字濾波方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與分析。
ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置是自行研制的一臺(tái)低頻超小電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置，具有超強(qiáng)的噪聲抑制能力和抗干擾能力，其自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集與處理部分由嵌入式PCI04／586計(jì)算機(jī)、邏輯控制電路板、24位A／D數(shù)據(jù)采集卡、液晶顯示屏和面板控制鍵盤組成。
小電壓及超小電壓測(cè)量需要解決的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題是消除噪聲和干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。交流小電壓或超小電壓經(jīng)過(guò)前端放大、帶通濾波、相關(guān)處理、低通濾波，轉(zhuǎn)換為直流中電壓，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理后在液晶屏顯示輸出。信號(hào)相關(guān)處理是消除噪聲和干擾的關(guān)建環(huán)節(jié)，但在數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程中采用數(shù)字濾波技術(shù)不僅能夠起到降低噪聲和干擾的輔助作用，而且還能減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置在測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理中采用了多種數(shù)字濾波方法，這里對(duì)其中的平均值濾波法、零點(diǎn)偏移濾波法和輸入短路本機(jī)噪聲濾波法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。
1 數(shù)字濾波方法與步驟
1．1 數(shù)學(xué)模型的建立
針對(duì)影響測(cè)量結(jié)果的某一因素建立數(shù)學(xué)模型。例如：因設(shè)計(jì)造成的放大倍數(shù)或衰減比例偏差而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差可通過(guò)測(cè)量結(jié)果乘以相應(yīng)的修正因子或除以相應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行修正。如果要濾去因外界干擾造成的測(cè)量結(jié)果異常值或隨機(jī)誤差偏大的測(cè)量值，即剔除粗大誤差，可建立以下數(shù)學(xué)模型：
式中：i=3，4，…，20，yi為依次采集的被測(cè)量的電壓值。
1．2 經(jīng)驗(yàn)值的選定
在所建立的數(shù)學(xué)模型中，代表某一特定規(guī)律的常數(shù)(如零點(diǎn)偏差、儀器輸入短路本機(jī)噪聲等)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得經(jīng)驗(yàn)值。
1．3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理
計(jì)算機(jī)所采集的原始數(shù)據(jù)一般都帶有一定的誤差。數(shù)據(jù)處理就是通過(guò)多次重復(fù)采集平均降低噪聲的影響，減小隨機(jī)誤差，通過(guò)誤差修正減小系統(tǒng)誤差，或根據(jù)粗大誤差的判別準(zhǔn)則剔除非正常值，從而提高測(cè)量精度。
1．4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
將數(shù)字濾波后的測(cè)量結(jié)果與未經(jīng)數(shù)字濾波的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)相應(yīng)數(shù)字濾波方法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)最后測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合理性分析。
2 平均值濾波法
2．1 數(shù)學(xué)模型
式中：i=l，2，3，…，20，y為電壓測(cè)量結(jié)果，xi為依次采集的被測(cè)電壓值。
2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用5520A多功能校準(zhǔn)源輸出頻率為30 kHz，幅度為100mV的交流電壓，經(jīng)105∶1同軸衰減器衰減后輸入到ZJL801納伏電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置輸入端，分別進(jìn)行單次數(shù)據(jù)采集測(cè)量、lO次數(shù)據(jù)采集平均測(cè)量和20次數(shù)據(jù)采集平均測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表l所示。
表1中，測(cè)量值根據(jù)顯示屏顯示測(cè)量值變動(dòng)范圍和中心值出現(xiàn)的頻率得到。
2．3 結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)據(jù)采集次數(shù)越多，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)范圍越小，測(cè)量精度越高。但是24位A／D數(shù)據(jù)采集器采樣速率受到較大限制，每組采集次數(shù)一般不超過(guò)20次。
3 零點(diǎn)偏移的消除
3．1 數(shù)學(xué)模型
y=x-k (4)
式中：y為已消除零偏的測(cè)量值，x為所采集一組數(shù)據(jù)的平均電壓值，k為零點(diǎn)偏移經(jīng)驗(yàn)值。
3．2 經(jīng)驗(yàn)值的確定
本儀器的零點(diǎn)只是一個(gè)相對(duì)零點(diǎn)，很難真正調(diào)節(jié)到零狀態(tài)，它會(huì)隨著時(shí)間和溫濕度的變化而漂移，一般情況下在量程的O．05％～0．5％之間變化，通電時(shí)間達(dá)到2 h以上時(shí)，可穩(wěn)定在O．2％～0．3％之間。必要時(shí)可臨時(shí)調(diào)節(jié)到量程的O．002％～O．01％之間。本實(shí)驗(yàn)選定的零點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值為量程的O．25％。
