【正文】 二、模擬量的轉換輸入 VFU cu iN 1CN 20u? 傳感器的輸出信號被采入計算機后往往要先進行適當?shù)念A處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。數(shù)字信號預處理一般用軟件的方法來實現(xiàn)。 ? 1. 數(shù)字濾波 ? 數(shù)字濾波實質上是一種程序濾波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點：①不需要額外的硬件設備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個輸入通道共用一套數(shù)字濾波程序，從而降低了儀器的硬件成本。②可以對頻率很低或很高的信號實現(xiàn)濾波。③可以根據(jù)信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，靈活、方便、功能強。 三、數(shù)字信號的預處理 ? (1).中值濾波 ? 中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對信號連續(xù)進行 n次采樣，然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù) n一般取為大于 3的奇數(shù)。 (2).算術平均濾波 ? 算術平均濾波方法的原理是，對信號連續(xù)進行n次采樣，以其算術平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動特點的信號具有良好的濾波效果。采樣次數(shù) n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運算處理，常取n = 16。 三、數(shù)字信號的預處理 ? (3).滑動平均濾波 ? 該方法采用循環(huán)隊列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊列長度固定為 n，每進行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊尾，扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)。這樣，在隊列中始終有 n個最新的數(shù)據(jù)。對這 n個最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個有效采樣值，因而速度快，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用 三、數(shù)字信號的預處理 全隊列數(shù)據(jù)求累加和修改隊尾指針新值放入隊尾 沖去舊值返回求平均值采樣一次入口? (4).低通濾波 ? 當被測信號緩慢變化時，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。 ? 一階 RC低通濾波器的微分方程為 三、數(shù)字信號的預處理 o00ooi udtduudtduRCuiRu ???????? 式中 :τ = RC是電路的時間常數(shù)。用 X替代 ui，Y替代 uo，將微分方程轉換成差分方程，并整理得 : ? 式中 —— 采樣周期； X（ n） —— 本次采樣值；Y（ n）和 Y（ n－ 1） —— 本次和上次的濾波器輸出值。取 ，則式（ 2－ 47）可改寫成 三、數(shù)字信號的預處理 )1()()( ???????? nYtnXttnY ? ??t?)t/(t ??????)1()1()()( ???? nYnXnY ??? 由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，本次采樣值對濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當于一個具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為 ? 數(shù)字低通濾波程序流程圖如下 : 三、數(shù)字信號的預處理 ttf C????????????? 2)1(221三、數(shù)字信號的預處理 返回累加到 Y ( n ) 中計算 （1 ? ） Y (n 1)計算 ? X ( n ), 暫存于 Y ( n ) 中將已有輸出作為上次輸出 Y ( n 1)取新采樣值 X ( n )入口? 2. 靜態(tài)誤差補償 ? (1). 非線性補償 ? 下圖為傳感器的非線性校正系統(tǒng)。當傳感器及其調理電路至 A/D轉換器的輸入 —輸出有非線性，如下圖所示，可按下圖所示的反非線性特性進行轉換，進行非線性的校正，使輸出 y與輸入 x呈理想直線關系，如下圖所示。 三、數(shù)字信號的預處理 0b)x iux0c)uixx ia)0ud)y=xx 微型計算機/處理器傳感器及其 調理電路xA/Du y=x? 軟件校正非線性的方法很多，概括起來有 計算法 、 查表法 、 插值法 和 擬合法 等，下面介紹曲線擬合法。 ? 這種方法是采用 n次多項式來逼近非線性曲線。該多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定。其具體步驟如下： ? a. 對傳感器及其調理電路進行靜態(tài)標定，得校準曲線。標定點的數(shù)據(jù)為 ? 輸入 xi： x1， x2， x3， … ， xN ? 輸出 ui： u1， u2， u3， … ， uN ? N為標定點個數(shù)， i=1， 2， … ， N 三、數(shù)字信號的預處理 ? b. 設反非線性特性擬合方程為 ? 式中： a0， a1， a2， a3， … ， an為待定常數(shù) c. 求解待定常數(shù) a0， a1， a2， a3， … ， an。 根據(jù)最小二乘法來確定待定常數(shù)的基本思想是，由上式確定的各個 xi（ ui）值與各個點的標定值 xi之均方差應最小，即： 三、數(shù)字信號的預處理 niniiii uuuux ???? ???? ....)(2210? ? ? ?),()()(1022210211naaaFNnnNiiiiiiiii xuauauaaxux????? ??????? ???最小值? 所以對該函數(shù)求導并令它為 0，即令 ? 從這 n+1個方程中可解出， a0， a1， … an 等 n+1個系數(shù)，就可寫出反非線性特性擬合方程式。有了反非線性特性曲線的 n次多項式近似表達式，就可利用該表達式編寫非線性校正程序。 三、數(shù)字信號的預處理 0), 0 10 ??? a aaaF n?（0), 1 10 ??? a aaaF n?（?0), 10 ??? n na aaaF ?（? (2).零位誤差補償 ? 檢測系統(tǒng)的零位誤差是由溫度漂移和時間漂移引起的。采用軟件對零位誤差進行補償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調零，其原理如下圖所示。 三、數(shù)字信號的預處理 檢測及放大電路多路開關U零信號輸入基準信號 RUi被測信號 ...A/D微型機? 多路模擬開關可在微型機控制下將任一路被測信號接通，并經(jīng)測量及放大電路和 A/D轉換器后，將信號采入微型機。在測量時，先將多路開關接通某一被測信號，然后將其切換到零信號輸入端，由微型機先后對被測量和零信號進行采樣，設采樣值分別為 x和 a0，其中 a0即為零位誤差，由微型機執(zhí)行下列運算： y = x－ a0，就可得到經(jīng)過零位誤差補償后的采樣值 y。 三、數(shù)字信號的預處理 檢測及放大電路多路開關U零信號輸入基準信號 RU i被測信號 ...A/D微型機? (3). 增益誤差補償 增益誤差同樣是由溫度漂移和時間漂移等引起的。增益誤差補償又稱校準。校準時，在微型機控制下先把多路開關接地如圖所示，得到采樣值a0，然后把多路開關接基準輸入 UR，得到采樣值 xR，并寄存 a0和 xR。在正式測量時，如測得對應輸入信號 Ui的采樣值為 xi，則輸入信號可按下式計算： ? 采用上述校準方法可使測得的輸入信號 Ui與檢測系統(tǒng)的漂移和增益變化無關，因而實現(xiàn)了增益誤差的補償。 三、數(shù)字信號的預處理 RRUax axU ii00???