采用时间标签抗干扰算法的高精度直流电压测量

沙林秀，李小锐

（1.陕西省钻机控制重点实验室 陕西 西安 710068；2.陕西榆林电力设计院 陕西 榆林719000）

对于非电量的测量主要是通过将非电量转换为电压来实现测量，因而设计完成高精度的仪器仪表精度主要环节是提高电压测量精度。本设计采用高精度、五位半的AD转换芯片HI-7159A完成电压测量，并从软硬件两个方面着手提高电压测量精度和算法时效。1）从软件着手，采用高时效、高精度的一种改进的采样滤波方法，即带时间标签的移动脉冲抗干扰平均的滤波算法，缩短了算法的时间，加快了采样的速度；2）从硬件着手，如采用精密电阻构成的衰减器、斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650和高精度AD转换芯片，提高转换精度。同时采用AT89CS52单片机，并将其频率设定在40 MHz，以提高采样的速度。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Hardware Structure of System

1 系统硬件结构及功能

采用改进移动脉冲抗干扰算法实现直流电压高精度测量系统的硬件上主要由3部分组成：数据采集、数据转换处理和显示。其系统的硬件结构图如图1所示。

1）数据采集 该环节包括电压输入、衰减器、RJ2型继电器组成的多路选通和斩波稳零ICL7650运算放大器构成，实现0～200 V DC电压的采集。其中电压输入范围为0～200 V DC， 衰减器由 4 个精密电阻 1 kΩ，9 kΩ，10 kΩ，100 kΩ 组成，两个RJ2型继电器构成的电压量程的自动切换以及ICL7650斩波稳零式高精度运算放大器。其中斩波稳零式高精度运算放大器电路如图2所示。

图2中，ICL7650是 Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。

在电压的输入端Vin采用了两个稳压三极管，以防止过电压通过ICL7650放大后送至HI-7159上，保护HI-7159。

图2 斩波稳零电路图Fig.2 Chopper-stabilized circuit

2）数据处理 采用了美国Intersil公司生产A/D转换芯片HI-7159A。该芯片是在对双积分式A/D转换进行了改进，对电容上的“残压”放大并且进行了4次反向积分，连续对积分电容上的残存电荷进行计算，以达到5位半精度。HI-7159A性能：①高精度（最大 0.003 5%），高分辨率（10 μV）、转换模式灵活。②分别可以5位半方式（15次/s）和4位半方式（60次/s）转换，及在补偿模式、非补偿模式、测量误差模式3种方式转换。③有两个串行口和一个并行口。④集成度高，外围电路简单。其最基本的外围电路配置只需要：晶体振荡器、积分电容、积分电阻、基准电容、基准电压源。数据处理的电路图如图3所示。

图3 数据处理的电路图Fig.3 Data processing circuit

3）显示及USB扩展 考虑到测量仪器的便携方便，以及便于功能扩展等问题，该设计通过单片机AT89C52送给LCD液晶显示。同时，该电压表在设计考虑到和PC机通讯时，通过转换电路将AT89S52的RXD/TXD串口转化为USB接口，通过相关的软件可完成电压的实时监测和波形的显示等。将电压值保存记录下来，以备调用。

2 改进的移动脉冲抗干扰算法

要完成信号的采样和处理，采样信号的形成过程和传送过程，常常会有干扰信号混入，影响了测量的精度。用混有干扰的采样值作为控制信号，将引起控制回路误动作。若作为闭环控制的反馈信号，在有微分控制的系统中还会引起系统的振荡，因此危害极大。干扰信号分为周期型和随机型两类。对周期型的工频或高频干扰信号，通过在硬件电路中加RC低通滤波器来加以抑制，同时在采样及处理过程中，为消除干扰采用强弱点分别制板，实现强弱电路板的隔离，无电气直接联系；但对低频周期干扰或随机性干扰，硬件就无能为力。

要提高直流电压的测量精度提高采样的速度，降低误差，除了从硬件电路作些改进外，采用高时效、高精的采样滤波方法也是一个重要的手段。

采用了带时间标签的移动防脉冲抗干扰算法是在传统滤波法基础上，对每一个采样值均引入了时间标签，实现了移动脉冲抗干扰平均数字滤波的采样值实时更新，从而提高了采样的时效和精度。

带时间标签抗干扰算法实现：首先介绍一下传统脉冲抗干扰平均数字滤波。在采样周期T内，在第i时刻起，连续采i-N+1，i-N+2，i-N+3，…，i，共 N 个采样点；在第 i+1 时刻起，采样点从i-N+2，i-N+3，…，i+1，共N个采样点。用防脉冲干扰平均值法，即将连续采样的N个数据进行排列，去掉其中最大和最小各2个数据 （被认为是受干扰的数据），将剩余N-4采样值求平均值，其计算公式如式（1）所示。

由式（1）可见，这种采样方法虽然在实时性上较好，但是这种简单的求平均提高采样的抗干扰性差，无法将误差信号删除。带时间标签抗干扰算法首先是将通过对N个采样值排序，舍去最小的两项和最大的两项，取中间N-4个数据的平均值作为初次采样结果，以提高抗干扰性；其次采用时间标签，在第一次i对N个采样值排序后，对第i+1时刻的新得采样点x只需按其大小插入原队列，而不需要重新排序。带时间标签抗干扰算法具体步骤：

Step1：在采样周期T内，在第i时刻起，连续采i-N+1，i-N+2，i-N+3，…，i，共 N 个采样值 xkj，其中 j为时间戳属性，其值按采样 j=1，2，…，N）；k为第 i时刻采集的第 k采样值（k=i-N+1，i-N+2，…，i）。

Step2：对N个数据进行由小到大排序，然后舍去最小的两项和最大的两项，取中间N-4个数据的平均值作为初次采样结果。即第i时刻的采样均值计算如式（2）所示。

Step3：对于每一个采样值都有一个时间戳，按照时间戳的标识，所有数据的时间戳减1，删除时间戳为0的数据，即令j=j-1。

Step4：在第i+1时刻，采样获得一个新数据设定其时间戳属性为N，将这个新数据插入到已排好序的队列中。判断是否结束采样？若结束则转至Step5；否则，令i=i+1，转至Step2。

Step5：结束采样。

根据算法分析，N取得大虽可以起到提高滤波效果和提高电压表的精度，但N不应取得过大，因为当N取得过大，对提高电压精度的效果不是很明显，却严重影响电压采集的跟随性。（建议取N=12）。

在该系统中，为消除由于采样中出现干扰而产生尖刺信号，在移动平均的滤波法基础上作了改进，提出了一种新的待时间戳抗干扰平均的滤波方法。改进的算法提高了采样的抗干扰性和采样的精度，由于时间戳的设置大大减少运算量，提高了数据的处理速度，从而提高了电压表的实时性。

3 实验结果

以FLUKE公司生产的5520A型多功能标准源提供DC 1 V输出电压，采用Agilent公司生产34401A和本设计带时间标签的改进移动防脉冲干扰算法的直流电压表 （HI-7159A）各完成20测量，其测量结果如图4所示。

图4 电压测量结果比较Fig.4 Comparison of voltage measurement

4 结束语

带时间标签的改进移动防脉冲干扰算法的高精度积分电压表从软硬件两个方面对传统数字电压表做了改进，提出了一种带有时间戳的移动防脉冲干扰平均数字滤波方法和采用了5位半、高精度、多重积分式A/D转换芯片HI-7159A。

该电压表具有实时性好、测量精度高和较强抗干扰性能力。实验证明该电压表的精度提高到5 ppm。

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

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