A/D轉換中的數字濾波抗干擾技術(shù)介紹

　　上述的幾種軟件濾波方法對抑制個(gè)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(zhù)近幾年來(lái)集成電路的快速發(fā)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(guò)軟件可編程實(shí)現，具有極大的靈活性和實(shí)用性。

　　3.1 芯片介紹及應用

　　目前市場(chǎng)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(lái)自傳感器的低電壓輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數字輸出，利用∑-Δ轉換技術(shù)實(shí)現16位無(wú)丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個(gè)基于模擬調制器的增益可編程專(zhuān)用前端，片內數字濾波器處理調制器的輸出信號，通過(guò)片內控制寄存器可調節濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率，從而對數字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。

　　AD7705有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)差分輸入通道ADC，具有16位無(wú)丟失代碼和0.003%非線(xiàn)形誤差;

　　(2)MCU的接口為串行的三線(xiàn)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(guò)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(jìn)行設置。

　　引腳排列如圖1。

　　主要管腳說(shuō)明如下：

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

　　MCLK OUT：當主時(shí)鐘為晶體/諧振器時(shí)，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(gè)外部時(shí)鐘，MCLK OUT將提供一個(gè)反向時(shí)鐘信號。

　　CS ：片選，低電平有效的邏輯輸入。

　　A1N2(+)[A1N1]：對于A(yíng)D7705，差分模擬輸入通道2的正輸入端;對于A(yíng)D7706，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(gè)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(shí)鐘，施密特邏輯輸入。

　　從AD轉換器件發(fā)展趨勢來(lái)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(diǎn) [2，3]。AD7705符合這些特點(diǎn)，其簡(jiǎn)化的應用電路如圖2。

　　圖2給出了一個(gè)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(shí)現軟件可編程調節。輸出的AD值通過(guò)SPI三線(xiàn)口模式發(fā)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(mén)狗WDT、 IIC總線(xiàn)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(xiàn)可完成主從之間的數據通信。接口非常方便。這4根口線(xiàn)分別為時(shí)鐘線(xiàn)(SCLK)、數據輸入線(xiàn)(SDI)、數據輸出線(xiàn)(SDO)和片選線(xiàn)(CS)。DIN線(xiàn)用來(lái)向片內寄存器傳輸數據，而DOUT線(xiàn)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)寄存器里的數據。SCLK是串行時(shí)鐘輸入，所有的數據傳輸都和SCLK信號有關(guān)。DRDY線(xiàn)作為狀態(tài)信號，以提示數據什么時(shí)候已準備好從寄存器讀數據。輸出寄存器中有新的數據時(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖?，在數據寄存器更新前，若DRDY變?yōu)楦唠娖?，則提示這個(gè)時(shí)候不讀數據，以免在寄存器更新的過(guò)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(gè)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(fā)生在模-數轉換之后，它能消除模-數轉換過(guò)程中產(chǎn)生的噪音。此外，數字濾波器容易實(shí)現可編程性。依靠數字濾波器設計，用戶(hù)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(gè)低通(sin x/x)3 濾波器(也稱(chēng)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(gè)陷波頻率(50Hz)對應，這曲線(xiàn)顯示從直流到300Hz。在數字濾波器采樣頻率的兩邊這個(gè)頻率曲線(xiàn)各重復一次。這種濾波器響應與一個(gè)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(gè)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(gè)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。

　　AD7705內部帶有數字濾波器，具有抑制干擾功能。對于50Hz的工頻干擾在第一陷波位置已衰減180dB，這樣有效抑制工頻干擾。另外，我們在每次采集AD值時(shí)，每采集10個(gè)AD值作為一組數據，去除其中的最大值，最小值而取剩余的8個(gè)A/D轉換值的平均值，這樣可有效去除數據隨機誤差。