【正文】 二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入 VFU cu iN 1CN 20u? 傳感器的輸出信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。數(shù)字信號(hào)預(yù)處理一般用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。 ? 1. 數(shù)字濾波 ? 數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個(gè)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(duì)頻率很低或很高的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波。③可以根據(jù)信號(hào)的不同而采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 ? (1).中值濾波 ? 中值濾波方法對(duì)緩慢變化的信號(hào)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(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行 n次采樣，然后對(duì)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(shù)平均濾波 ? 算術(shù)平均濾波方法的原理是，對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對(duì)壓力、流量等具有周期脈動(dòng)特點(diǎn)的信號(hào)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(yùn)算處理，常取n = 16。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 ? (3).滑動(dòng)平均濾波 ? 該方法采用循環(huán)隊(duì)列作為采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列長(zhǎng)度固定為 n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣，在隊(duì)列中始終有 n個(gè)最新的數(shù)據(jù)。對(duì)這 n個(gè)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(gè)有效采樣值，因而速度快，實(shí)時(shí)性好，對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 全隊(duì)列數(shù)據(jù)求累加和修改隊(duì)尾指針新值放入隊(duì)尾 沖去舊值返回求平均值采樣一次入口? (4).低通濾波 ? 當(dāng)被測(cè)信號(hào)緩慢變化時(shí)，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(hào)的預(yù)處理 o00ooi udtduudtduRCuiRu ???????? 式中 :τ = RC是電路的時(shí)間常數(shù)。用 X替代 ui，Y替代 uo，將微分方程轉(zhuǎn)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(hào)的預(yù)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(duì)濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當(dāng)于一個(gè)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(hào)的預(yù)處理 ttf C????????????? 2)1(221三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 返回累加到 Y ( n ) 中計(jì)算 （1 ? ） Y (n 1)計(jì)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(bǔ)償 ? (1). 非線性補(bǔ)償 ? 下圖為傳感器的非線性校正系統(tǒng)。當(dāng)傳感器及其調(diào)理電路至 A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)行非線性的校正，使輸出 y與輸入 x呈理想直線關(guān)系，如下圖所示。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 0b)x iux0c)uixx ia)0ud)y=xx 微型計(jì)算機(jī)/處理器傳感器及其 調(diào)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(jì)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(xiàng)式來逼近非線性曲線。該多項(xiàng)式方程的各個(gè)系數(shù)由最小二乘法確定。其具體步驟如下： ? a. 對(duì)傳感器及其調(diào)理電路進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得校準(zhǔn)曲線。標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)為 ? 輸入 xi： x1， x2， x3， … ， xN ? 輸出 ui： u1， u2， u3， … ， uN ? N為標(biāo)定點(diǎn)個(gè)數(shù)， i=1， 2， … ， N 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 ? b. 設(shè)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(gè) xi（ ui）值與各個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定值 xi之均方差應(yīng)最小，即： 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 niniiii uuuux ???? ???? ....)(2210? ? ? ?),()()(1022210211naaaFNnnNiiiiiiiii xuauauaaxux????? ??????? ???最小值? 所以對(duì)該函數(shù)求導(dǎo)并令它為 0，即令 ? 從這 n+1個(gè)方程中可解出， a0， a1， … an 等 n+1個(gè)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(xiàng)式近似表達(dá)式，就可利用該表達(dá)式編寫非線性校正程序。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)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(bǔ)償 ? 檢測(cè)系統(tǒng)的零位誤差是由溫度漂移和時(shí)間漂移引起的。采用軟件對(duì)零位誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調(diào)零，其原理如下圖所示。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 檢測(cè)及放大電路多路開關(guān)U零信號(hào)輸入基準(zhǔn)信號(hào) RUi被測(cè)信號(hào) ...A/D微型機(jī)? 多路模擬開關(guān)可在微型機(jī)控制下將任一路被測(cè)信號(hào)接通，并經(jīng)測(cè)量及放大電路和 A/D轉(zhuǎn)換器后，將信號(hào)采入微型機(jī)。在測(cè)量時(shí)，先將多路開關(guān)接通某一被測(cè)信號(hào)，然后將其切換到零信號(hào)輸入端，由微型機(jī)先后對(duì)被測(cè)量和零信號(hào)進(jìn)行采樣，設(shè)采樣值分別為 x和 a0，其中 a0即為零位誤差，由微型機(jī)執(zhí)行下列運(yùn)算： y = x－ a0，就可得到經(jīng)過零位誤差補(bǔ)償后的采樣值 y。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 檢測(cè)及放大電路多路開關(guān)U零信號(hào)輸入基準(zhǔn)信號(hào) RU i被測(cè)信號(hào) ...A/D微型機(jī)? (3). 增益誤差補(bǔ)償 增益誤差同樣是由溫度漂移和時(shí)間漂移等引起的。增益誤差補(bǔ)償又稱校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，在微型機(jī)控制下先把多路開關(guān)接地如圖所示，得到采樣值a0，然后把多路開關(guān)接基準(zhǔn)輸入 UR，得到采樣值 xR，并寄存 a0和 xR。在正式測(cè)量時(shí)，如測(cè)得對(duì)應(yīng)輸入信號(hào) Ui的采樣值為 xi，則輸入信號(hào)可按下式計(jì)算： ? 采用上述校準(zhǔn)方法可使測(cè)得的輸入信號(hào) Ui與檢測(cè)系統(tǒng)的漂移和增益變化無關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)了增益誤差的補(bǔ)償。 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理 RRUax axU ii00???