Есть девайс, мерит напряжение. К сожалению, плата разведена не очень хорошо, есть шум на ацп: иногда вместо 0 показывает 0.1-0.3В (вход мерит до 72В благодаря резистивному делителю).
Планирую добавить усреднение: замерять с помощью АЦП 100 (например 100) раз канал, затем вычислять среднее арифметическое из полученных значений. Так делается или есть способ похитрее программно сгладить шумы?

В МК есть FPU и инструкции DSP. Быть может есть готовые библиотеки в CMSIS для подобных расчетов?

Делается. Если со схемотехникой и разводкой все в порядке, то этот метод вполне применим.
Рискну спросить. А антиалиасный фильтр перед АЦП имеется ? Хотя бы простейшая RC - цепочка ? И насколько сложно будет исправить некорректно разведенную плату ?

Вот простейший фильтр:

После АЦП до любых других фильтров всегда применяйте медианный.
Здесь где-то на форуме недалеко есть тема со сравнением быстродействия различных реализаций медианного фильтра.

экспонента для плавных процессов тоже хорошо броски борет

Если шум на ацп: иногда вместо 0 показывает 0.1-0.3В (вход мерит до 72В благодаря резистивному делителю). Это нужно исправлять. Вы хоть прикиньте ошибку и динам диапазон. Может у вас 6 разрядов шумят из 12. А может меряете програмно не верно, без учета входых реактивностей.
Ну исправите вы что-то софтом усредните, отмедианите, откалманите, а аппаратная ошибка дающая шум останется.

На входе АЦП простой резистивный делитель + кондер на GND
На входе Vref рекомендуемая схема от ST

Схема будет переделана в следующих ревизиях устройства, как только будут найдены источники помех и способы их устранения.
Сейчас задача - улучших характеристики АЦП уже эксплуатируемых устройств (т.е. программно)


спасибо за пример. еще бы допереть как его использовать.
можно в 2х словах?

в DSP библиотеках CMSIS что то есть для медианного фильтра?

идея в том что вы вызываете void filter_init(int a)
с первым полученным от АЦП значением или 0

а далее каждое новое значение пихаете в void filter_advance(int a), и когда вам надо
отфильтрованный результат, берете его в int filter_result(void)


это обычная экспонента

Спасибо за пояснения. А я хотел просто послать на RTFM: в комментариях к коду, вообще-то, всё написано :-)

Общеизвестно, что на сопротивление такого делителя накладываются ограничения.
У вас R не больше предельного значения? В противном случае АПЦ превращается в показометр.

Кроме того, конденсатор должен быть рядом с ножкой МК. Это же относится и к Vref. Проверено хождением по граблям :-)

плата разведена довольно неплохо, а вот схема питания устройства ( ... -> 5В -> 3.3В) так себе, соответственно Vref получается довольно шумным не смотря на фильтр.

на самом деле железной частью устройства занимаюсь не я. я больше по программной части.

Применил вышеописанный фильтр. Без подключенного измеряемого напряжения (на входе АЦП 0В):
до применения показания были 0 - 0.3В
после применения (результат берется из 100 измерений) 0.07-0.12В т.е. 0В никогда не бывает.

В общем делаю вывод, что частота помехи слишком высокая и в измерения слишком часто попадают броски. Будь частота помехи пониже, от фильтра было бы больше пользы.

Быть может у кого то еще появятся мысли о том, как мне победить помеху программным способом...


спасибо.
а чем такой способ отличается от медианного фильтра (в 2х словах, если не сложно) ?

Можно предположить, что помеха настолько велика, что среднеквадратичное отклонение имеет порядок 0.1В, что и даёт такое среднее значение около 0 (потому что отрицательные значения на входе АЦП заменяются нулём, а положительные остаются). Это предположение нужно подтвердить. Оцифруйте 100...1000 отсчётов при ненулевом входе и посчитайте статистические показатели: среднее, мин., макс., среднеквадратичное отклонение.
Если предположение подтвердится, то можно приподнять сигнал на входе АЦП ещё одним резистором (к Vref, например), чтобы сигнал на входе АЦП никогда не опускался ниже 0 даже в присутствии шумов. Ну а потом эту поправку от резистора учесть в расчётах, естественно.

Если Rain будет больше рекомендованного значения, то в каждой выборке вы будете иметь бросок, и программно такое не обработать.
Осциллограф наглядно покажет эти броски на ножке АЦП.
Ради эксперимента увеличьте емкость между входом АЦП и GND до мкФ, время выборки АЦП увеличьте до максимума - должно полегчать.

можно ровно в 2 словах
"Ни чем"
))

это стандартный медианый целочисленный фильтр


все бы вам резисторы паять...

надо программно откалибровать и все... Проверьте на среднем значении. Если оно после усреднения будет ровное, то вам действительно надо просто учитывать что вблизи нуля отрицательный сигнал отваливается... и ввести еще одну коррекцию, как на спидометрах машин, загнуть хвост)

Отнюдь. Медианный фильтр просто отбрасывает, не использует значения, значительно отличающиеся от остальных. Он хорош для избавления от неправильных измерений при импульсных помехах.

Увеличивать время семплирования до максимума.

А можно посмотреть напряжение на ножке АЦП? Осциллограмму в студию! По картинке сразу будет виден и уровень шумов, и характер...
Обсуждение сейчас - пальцем в небо.

Ну так топикстартер на вопросы не любит отвечать. Ему, видимо, с бубном плясать приятнее

А блин! Точно. Термины уже попутал.
Это обычный экспоненциальный фильтр.

Медиана, классическая, берет 4 значения, максимум - минимум отбрасывает, 2 оставшихся усредняет. Это фильтр который создан отсекать случайные выбросы.

1) Vref 3.3В
2) Вход АЦП (после резистивного делителя и ёмкости, прямо возле ножки МК) без подключенного напряжения

Шумит все, что можно: напряжение питания, опорное напряжение, вход АЦП. А вероятнее всего шумят земли. Понятное дело плату будут разводить, повторюсь, моя задача - улучшить показатели АЦП программно, насколько это возможно

SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
АЦП конвертит беспрерывно и под DMA складывает результаты в память, а я из пати, когда мне надо забираю цифры (примерно раз в секунду)

Вот здесь рассматривалось много разных медиан.

Имя, сестра, имя! Номиналы резисторов!?

Дык, 10мВ амплитуда. Где же ужасные "0.1 - 0.3В"?

69.8K и 3.3К


вот пример нескольких замеров АЦП (при разрешении 4095)





вот отсуда и получаются эти 0 - 0.3В

max = 14

14 * 3300 мВ / 4096 = 11 мВ = 0.011В

А вы как считаете?

* (R1 + R2)/R2 = 0.25В

R1 R2 резистивный делитель


применил способ Xenia
31 точка. в результате показания 0.02-0.07В при подключенных 0В
может стоит изменить количество точек?

Медианный фильтр не пропускает выбросы длительностью меньше половины ширины фильтра. Т.е. если у Вас 31 точка, то шумовые выбросы длительностью меньше или равно времени 15 отсчетов не пройдут через фильтр. Думайте сами.
И после резестивного делителя повторитель поствьте.

Это лишнее: входное сопротивление ADC (ножки в режиме AIN) - огого, потому 70K погоды не делают.

При бесконечном времени выборки. А при конечном надо успеть за время выборки через выходное сопротивление этого делителя зарядить/разрядить конденсатор УВХ до входного напряжения плюс-минус половина напряжения младшего разряда АЦП. Емкость конденсатора УВХ - 4 пФ, проходное сопротивление ключа УВХ - 6 кОм, входное сопротивление входа АЦП - не менее 50 кОм (а совсем не огого).

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

т.е. допустим на входе АЦП 0В, после оцифровки 31 точки результаты: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 0 0 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6, результаты 10 10 не попадут в результаты а 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 попадут. так?

что будет с такого вида результатами?



Наткнулся на аппноут ST AN4073 http://www.st.com/web/en/resource/technica.../DM00050879.pdf

Описанный в нем способ показал наилучшие результаты в моем случае (применил способ сортировка + усреднение)
Как называется такой способ ? как выбрать оптимальные N и X ?

сортировка и усреднение - медиана?

классическая 4 точечная медиана.
берет 4 значения, выкидывает из них самое большое и самое маленькое, два оставшихся усредняет.

дальше вы можете выбирать сколько самых больших и маленьких значений выкинуть, и сколько усреднить.

как вы сами понимаете если у вас значения вида

а а а а а а а а б б б б б а а а а а, где а - один уровень сигнала, а б - какой то то всплеск, то число отбрасываемых мидианой значений должно определяться длинной этих всплесков.

то есть к примеру у вас 4 точечная медиана

а а а а = а
а а а б = а
а а б б = (а+б)/2
а б б б = (а+б)/2
б б б б = б
и дальше начнет спадать, ваш всплеск прошел.
а если медиана будет отбрасывать по 5 значений, то все 5 б всегда будут в максимумах и отброшены и не пройдут на выход никогда. Но с другой стороны количество отброшенных значений определяет число накапливаемых результатов, и как следствие задержку выдачи сигнала, то есть в нашем же примере 4 точечной медианы
допустим б - это не выброс а реальная смена сигнала, только через 4 значения после появления нового сигнала на входе, он появился на выходе. Опять же не только всплески, но и короткие изменения полезного сигнала будут отброшены, то есть при фильтрации синуса условно его горбы будут срезаны, то есть зарезана амплитуда.

вот из этих соображений и выбирайте, а других рецептов никто не даст. Баланс между шумом и правильностью измерений

о! большое спасибо за объяснение. теперь все понял.

а б б б = б ?

а если кругом одни б б, то что выдаст описанный выше фильтер? Если нечего отбрасывать, не отбрасывайте ничего. Это к вопросу о пяти б. Что значит "не пройдут никогда"? А что же тогда выдавать?
Видимо, я не до конца понял. А 4 - точечный медианный фильтр с усреднением - интересно, чувствую, что можно реализовать и аппаратно, в ПЛИС, например. Хотя, на мой взгляд - это уже два фильтра.

я имел ввиду про исходную последовательность....

ну то есть если у нас есть стабильный сигнал и в нем встречаются выбросы разной длительности, то до тех пор пока в окно фильтра не попадут отклонения суммарной длительностью больше отбрасываемой части, они не выйдут наружу...


да, почему нет...

допустим а меньше б.

тогда самое маленькое из этих 4 что? а.
самое большое из них что? б
а и б отбрасывается остается б б
(б+б)/2 = б

я может ошибаюсь, но в том представлении что я имею о медианном фильтре отбрасываются не по значению а по количеству. То есть все входные данные сортируются и с начала и с конца отбрасывается заданное число значений, оставшиеся усредняются...

это позволяет сигналам вида
а а а а б а а а а а б а а а б а а а а а б а а а а а,
то есть с единичными выбросами всегда от них избавляться... не зависимо от того куда эти выбросы вверх или вниз.

при этом как бы числом отбрасываемых регулируется интенсивность выбросов, считая что окно фильтра пропорционально раздвигается...

то есть 4 точечный уже почувствует влияние выбросов , если между ними будет менее 3 "правильных" сигналов, а увеличив число отбрасываемых значений и длину фильтра мы "затянем" фильтр ближе к более стабильному сигналу, и сможем откидывать более интенсивные выбросы.



не знаю, всегда считал что усреднение должно быть. Зачем забирать N значений N/2 от них выбрасывать, и из оставшихся N/2 значений использовать только 1, зачем остальные то были нужны? и как выбрать то единственное? если у нас 1 2 3 4, то что на выходе 2 или 3? Почему 2 или почему 3? а так на выходе 2.5 и никому не обидно


при этом прелесть с усреднением в том что сигнал вида
а б а б а б а б а б а б даст для 4 точечной медианы (а+б)/2, то есть как бы средний уровень, а сигнал с преобладанием а, будет ближе к а он будет выдавать то а, то (а+б)/2 и очень редко б. Мне кажется физически это верная работа

В плис реализуется, однотактовый вариант не очень быстр, в силу необходимости сортировки и как следствие мультиплексоров, но конвейерный вполне и не только в 4 значения...

Медиана по трем точкам. И, вообще, по нечетному количеству. Скажем, для 5 точек в середину попадет согласно сортировке, она же и выйдет наружу. И не один раз.
А потом можно усреднять, сколько душа пожелает.

ТС.
Прежде, чем колдовать с фильтрами, построили бы гистограмму, приподняв вход на 1 вольт. И автокорреляционную функцию.

ну может быть. Я почему то видел везде классическую реализацию с 4 точками и усреднением по 2. В целом главное знать что хочешь получить, а как это получить - уже второй момент


неплохо придавили)

Медианный фильтр классически по нечетному количеству точек делается. После сортировки берется то значение, которое в серединной точке, никакого усреднения.
А для четного количества точек придуман костыль в виде среднего арифметического двух серединных точек, "виртуальная медиана массива".
Где применять медианный фильтр а где усреднять всю выборку - зависит от характера возможных помех/наводок и от физики источника сигнала (сенсора).
Я, как правило, применяю и то и другое: сначала медианный фильтр по окну последних измерений(чаще всего 5-точечный-уже длинный но еще быстрый) , а после него- среднее арифметическое по окну из последних значений, выданных медианным фильтром.

И все таки: какое количество точек для сортировки/усреднения в моем случае лучше взять? вот пример 4х замеров АЦП по 10 значений при 0В на входе АЦП?

вижу единичные большие выбросы, остальное ровненько, 3 точек хватит...


есть у меня подозрение что сигнал у вас приподнят на некий уровень, так как нету отрицательных значений
вычтите дополнительно к фильтру из сигнала какую-то величину, например 2. Это нормализует сигнал вблизи нуля, и немного испортит его в максимуме.

Но лучше конечно построить чуть более умную функцию
kX + b, и подобрать k и b так чтобы сигнал был от 0 до максимума
и вот ее уже фильтровать

в приведенном выше примере указывается 2 количества точек: 1) точки измерения (оцифровки) = точки сортировки 2) точки усреднения.



просто моменты оцифровки часто попадают на "шум" поэтому редко бывает 0


разве такое может быть, учитывая что АЦП выдает от 0 до 4095?

Именно потому что оно выдает 0 - 4095 у вас и нет -1.

если что-то шумит около 0, какие значения будут? только положительные, значит средний уровень какой? Больше нуля, чтобы в 0 попасть надо уметь мерить отрицательные значения.

Так что вы можете обфильтроваться около нуля у вас всегда будет значительная ошибка. При этом чем больше вы усредняете тем хуже будет результат, потому что сумма будет только расти.

на пальцах:

сигнал 0,
реально он - 1 0 1 0 - 1 0 1 -1 0 1 -1 1
итак далее
ваше АЦП его превращает в 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1
и так далее
сумма первого сигнала 0, сумма вашего сигнала 4
средние первого сигнала 0, среднее вашего сигнала 0.3

когда у вас есть шум и он сдвинут в какую - то сторону усреднение будет только увеличивать ошибку.... Та же история у вас будет возле максимума, после усреднения вы все дальше будите от максимума. Потому если вы хотите что-то мерить точно, оно должно быть внутри диапазона, а по краям всегда будет не точно

значит цифровой обработкой не улучшить показания?

цифровая обработка только в кино про шпионов из размытой фотографии делает четкую картинку, где можно марку сигарет разглядеть.

Если у вас нет значений сигнала, никакая цифровая обработка их не восстановит. Улучшить можно, но все зависит от....


в вашем случае можно сделать так
ваш сигнал от 0 до 4095
вы его немного растягиваете, сделав от 0 до 4099, например, и сдвигаете на 2 вниз, получая диапазон значение
-2 до 4097
вы , конечно внесли искажения в сигнал, но зато выдвинули за границы диапазона, если сигнал растягивать и сдвигать на ваш характерный уровень шума, то это позволит более корректно определить ноль и диапазон.

Пишу более корректно, а не точно, потому что этими манипуляциями вы только помогаете усредняющим фильтрам не еузжать от нуля вверх и от диапазона вниз, а точность вы не увеличиваете, даже наоборот уменьшаете, во время растяжения вы растягиваете еще и шум.

Ваша проблема не нова, обратите внимания как много приборов которые работают с положительными величинами, не измеряют хорошо вблизи нуля, тот же спидометр машины, который из нуля выходит только после Н км в час.

Нужно мерять 16 каналов 1 раз в секунду. Реально достичь на STM32F4 +-0.1% ?

0.1% от чего?
от диапазона, какого?
от сигнала, опять же какого?
как вы понимаете относительная погрешность вблизи нуля растет в бесконечность...

Конечно. Там же 12-разрядный АЦП. Плюс усреднение по огромному количеству выборок. За 1 секунду можно много набрать.

Если:
- 0.1% - это от всего диапазона (4096 попугаев)
- спектр входных сигналов не содержит "высоких" (относительно частоты выборок АЦП) составляющих
- выходные импедансы источников сигналов невысоки
- источник опоры приличного качества и (по опыту) не менее 2 вольт
- разводка, обвеска, питание соответствуют
то реально...