采用時間標(biāo)簽抗干擾算法的高精度直流電壓測量

沙林秀，李小銳

（1.陜西省鉆機(jī)控制重點實驗室 陜西 西安 710068；2.陜西榆林電力設(shè)計院 陜西 榆林719000）

對于非電量的測量主要是通過將非電量轉(zhuǎn)換為電壓來實現(xiàn)測量，因而設(shè)計完成高精度的儀器儀表精度主要環(huán)節(jié)是提高電壓測量精度。本設(shè)計采用高精度、五位半的AD轉(zhuǎn)換芯片HI-7159A完成電壓測量，并從軟硬件兩個方面著手提高電壓測量精度和算法時效。1）從軟件著手，采用高時效、高精度的一種改進(jìn)的采樣濾波方法，即帶時間標(biāo)簽的移動脈沖抗干擾平均的濾波算法，縮短了算法的時間，加快了采樣的速度；2）從硬件著手，如采用精密電阻構(gòu)成的衰減器、斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器ICL7650和高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，提高轉(zhuǎn)換精度。同時采用AT89CS52單片機(jī)，并將其頻率設(shè)定在40 MHz，以提高采樣的速度。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware Structure of System

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及功能

采用改進(jìn)移動脈沖抗干擾算法實現(xiàn)直流電壓高精度測量系統(tǒng)的硬件上主要由3部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理和顯示。其系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)采集 該環(huán)節(jié)包括電壓輸入、衰減器、RJ2型繼電器組成的多路選通和斬波穩(wěn)零ICL7650運(yùn)算放大器構(gòu)成，實現(xiàn)0～200 V DC電壓的采集。其中電壓輸入范圍為0～200 V DC， 衰減器由 4 個精密電阻 1 kΩ，9 kΩ，10 kΩ，100 kΩ 組成，兩個RJ2型繼電器構(gòu)成的電壓量程的自動切換以及ICL7650斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器。其中斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器電路如圖2所示。

圖2中，ICL7650是 Intersil公司利用動態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。

在電壓的輸入端Vin采用了兩個穩(wěn)壓三極管，以防止過電壓通過ICL7650放大后送至HI-7159上，保護(hù)HI-7159。

圖2 斬波穩(wěn)零電路圖Fig.2 Chopper-stabilized circuit

2）數(shù)據(jù)處理 采用了美國Intersil公司生產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換芯片HI-7159A。該芯片是在對雙積分式A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行了改進(jìn)，對電容上的“殘壓”放大并且進(jìn)行了4次反向積分，連續(xù)對積分電容上的殘存電荷進(jìn)行計算，以達(dá)到5位半精度。HI-7159A性能：①高精度（最大 0.003 5%），高分辨率（10 μV）、轉(zhuǎn)換模式靈活。②分別可以5位半方式（15次/s）和4位半方式（60次/s）轉(zhuǎn)換，及在補(bǔ)償模式、非補(bǔ)償模式、測量誤差模式3種方式轉(zhuǎn)換。③有兩個串行口和一個并行口。④集成度高，外圍電路簡單。其最基本的外圍電路配置只需要：晶體振蕩器、積分電容、積分電阻、基準(zhǔn)電容、基準(zhǔn)電壓源。數(shù)據(jù)處理的電路圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理的電路圖Fig.3 Data processing circuit

3）顯示及USB擴(kuò)展 考慮到測量儀器的便攜方便，以及便于功能擴(kuò)展等問題，該設(shè)計通過單片機(jī)AT89C52送給LCD液晶顯示。同時，該電壓表在設(shè)計考慮到和PC機(jī)通訊時，通過轉(zhuǎn)換電路將AT89S52的RXD/TXD串口轉(zhuǎn)化為USB接口，通過相關(guān)的軟件可完成電壓的實時監(jiān)測和波形的顯示等。將電壓值保存記錄下來，以備調(diào)用。

2 改進(jìn)的移動脈沖抗干擾算法

要完成信號的采樣和處理，采樣信號的形成過程和傳送過程，常常會有干擾信號混入，影響了測量的精度。用混有干擾的采樣值作為控制信號，將引起控制回路誤動作。若作為閉環(huán)控制的反饋信號，在有微分控制的系統(tǒng)中還會引起系統(tǒng)的振蕩，因此危害極大。干擾信號分為周期型和隨機(jī)型兩類。對周期型的工頻或高頻干擾信號，通過在硬件電路中加RC低通濾波器來加以抑制，同時在采樣及處理過程中，為消除干擾采用強(qiáng)弱點分別制板，實現(xiàn)強(qiáng)弱電路板的隔離，無電氣直接聯(lián)系；但對低頻周期干擾或隨機(jī)性干擾，硬件就無能為力。

要提高直流電壓的測量精度提高采樣的速度，降低誤差，除了從硬件電路作些改進(jìn)外，采用高時效、高精的采樣濾波方法也是一個重要的手段。

采用了帶時間標(biāo)簽的移動防脈沖抗干擾算法是在傳統(tǒng)濾波法基礎(chǔ)上，對每一個采樣值均引入了時間標(biāo)簽，實現(xiàn)了移動脈沖抗干擾平均數(shù)字濾波的采樣值實時更新，從而提高了采樣的時效和精度。

帶時間標(biāo)簽抗干擾算法實現(xiàn)：首先介紹一下傳統(tǒng)脈沖抗干擾平均數(shù)字濾波。在采樣周期T內(nèi)，在第i時刻起，連續(xù)采i-N+1，i-N+2，i-N+3，…，i，共 N 個采樣點；在第 i+1 時刻起，采樣點從i-N+2，i-N+3，…，i+1，共N個采樣點。用防脈沖干擾平均值法，即將連續(xù)采樣的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，去掉其中最大和最小各2個數(shù)據(jù) （被認(rèn)為是受干擾的數(shù)據(jù)），將剩余N-4采樣值求平均值，其計算公式如式（1）所示。

由式（1）可見，這種采樣方法雖然在實時性上較好，但是這種簡單的求平均提高采樣的抗干擾性差，無法將誤差信號刪除。帶時間標(biāo)簽抗干擾算法首先是將通過對N個采樣值排序，舍去最小的兩項和最大的兩項，取中間N-4個數(shù)據(jù)的平均值作為初次采樣結(jié)果，以提高抗干擾性；其次采用時間標(biāo)簽，在第一次i對N個采樣值排序后，對第i+1時刻的新得采樣點x只需按其大小插入原隊列，而不需要重新排序。帶時間標(biāo)簽抗干擾算法具體步驟：

Step1：在采樣周期T內(nèi)，在第i時刻起，連續(xù)采i-N+1，i-N+2，i-N+3，…，i，共 N 個采樣值 xkj，其中 j為時間戳屬性，其值按采樣 j=1，2，…，N）；k為第 i時刻采集的第 k采樣值（k=i-N+1，i-N+2，…，i）。

Step2：對N個數(shù)據(jù)進(jìn)行由小到大排序，然后舍去最小的兩項和最大的兩項，取中間N-4個數(shù)據(jù)的平均值作為初次采樣結(jié)果。即第i時刻的采樣均值計算如式（2）所示。

Step3：對于每一個采樣值都有一個時間戳，按照時間戳的標(biāo)識，所有數(shù)據(jù)的時間戳減1，刪除時間戳為0的數(shù)據(jù)，即令j=j-1。

Step4：在第i+1時刻，采樣獲得一個新數(shù)據(jù)設(shè)定其時間戳屬性為N，將這個新數(shù)據(jù)插入到已排好序的隊列中。判斷是否結(jié)束采樣？若結(jié)束則轉(zhuǎn)至Step5；否則，令i=i+1，轉(zhuǎn)至Step2。

Step5：結(jié)束采樣。

根據(jù)算法分析，N取得大雖可以起到提高濾波效果和提高電壓表的精度，但N不應(yīng)取得過大，因為當(dāng)N取得過大，對提高電壓精度的效果不是很明顯，卻嚴(yán)重影響電壓采集的跟隨性。（建議取N=12）。

在該系統(tǒng)中，為消除由于采樣中出現(xiàn)干擾而產(chǎn)生尖刺信號，在移動平均的濾波法基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，提出了一種新的待時間戳抗干擾平均的濾波方法。改進(jìn)的算法提高了采樣的抗干擾性和采樣的精度，由于時間戳的設(shè)置大大減少運(yùn)算量，提高了數(shù)據(jù)的處理速度，從而提高了電壓表的實時性。

3 實驗結(jié)果

以FLUKE公司生產(chǎn)的5520A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源提供DC 1 V輸出電壓，采用Agilent公司生產(chǎn)34401A和本設(shè)計帶時間標(biāo)簽的改進(jìn)移動防脈沖干擾算法的直流電壓表 （HI-7159A）各完成20測量，其測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 電壓測量結(jié)果比較Fig.4 Comparison of voltage measurement

4 結(jié)束語

帶時間標(biāo)簽的改進(jìn)移動防脈沖干擾算法的高精度積分電壓表從軟硬件兩個方面對傳統(tǒng)數(shù)字電壓表做了改進(jìn)，提出了一種帶有時間戳的移動防脈沖干擾平均數(shù)字濾波方法和采用了5位半、高精度、多重積分式A/D轉(zhuǎn)換芯片HI-7159A。

該電壓表具有實時性好、測量精度高和較強(qiáng)抗干擾性能力。實驗證明該電壓表的精度提高到5 ppm。

[1]Intersil Corporation，Microprocessor-Compatible 51/2Digit A/D Converter HI-7159A Data Sheet[S].January 1999 File Number 2936.4

[2]侯正信，王國安.數(shù)字信號處理基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[3]馮古嶺.數(shù)字電壓表及數(shù)字多用表檢測技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，2003.

[4]Mallat S，Hwang W L.Singularity detection and processing with wavelets[J].IEEE Trans IT， 1992，38（2）：617-643.

[5]沙占友，沙江.數(shù)字萬用表檢測方法與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[6]楊振江，杜鐵軍.流行單片機(jī)實用子程序及應(yīng)用實例[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.