硬件設(shè)計(jì)中濾波電路與軟件濾波算法

1、電磁兼容實(shí)驗(yàn)報(bào)告（硬件設(shè)計(jì)中濾波電路與軟件濾波的算法）學(xué)院:專(zhuān)業(yè):班級(jí):作者:硬件設(shè)施中的濾波電路硬件濾波的一些概念:硬件濾波：主要是通過(guò)電容電阻來(lái)組合起來(lái)濾波。濾波：就是濾掉電路中不需要的成分，留下有用的成分。按功能分：有電源濾波器、音頻濾波器、電源濾波器（交流濾波器和直流濾波器）。濾波的基本概念濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅立葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿(mǎn)足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話(huà)說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線(xiàn)性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分

2、或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。實(shí)際上，任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對(duì)信號(hào)最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個(gè)基本特點(diǎn)。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí)，是把信號(hào)看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做高通濾波器。當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)

3、，這種濾波器叫做低通濾波器。當(dāng)只允許信號(hào)中某個(gè)頻率范圍內(nèi)的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做帶通濾波器。理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止理想LP理想HP(c)置想BP濾波器頻率響應(yīng)特性的幅頻特性圖對(duì)于濾波器，增益幅度不為零的頻率范圍叫做通頻帶，簡(jiǎn)稱(chēng)通帶，增益幅度為零的頻率范圍叫做阻帶。例如對(duì)于LP,從-w1當(dāng)w1之間，叫做LP的通帶，其他頻率部分叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過(guò)濾波器而不會(huì)產(chǎn)生衰減的信號(hào)頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號(hào)頻率成分。通帶內(nèi)信號(hào)所獲得的增益，叫做通帶增益

4、，阻帶中信號(hào)所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實(shí)際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。三：低通濾波器和高通濾波器低通濾波器低通濾波器的基本電路特點(diǎn)是，只允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)。(1) 一階低通Butterworth濾波電路下圖a和b是用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實(shí)際上就是一個(gè)積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。圖b是同相輸入的一階低通濾波器。根據(jù)給定的電路圖可以得到RC對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)，更關(guān)心的是正弦穩(wěn)態(tài)是的行為特性，利用拉氏變換與富氏變換的關(guān)系，有%（用）_&+&1囁？助_&吃_lRC下圖是上

5、式RC=2寸的幅頻特性和相頻特性波特圖。Gh»n*1O&T1Ofe*0：1.G&*1RC=2時(shí)一階Butterworth低通濾波器的頻率響應(yīng)特性(2) 二階低通Butterworth濾波電路下圖是用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的二階低通Butterworth濾波電路二階Butterworth低通濾波電路直接采用頻域分析方法得到其中k=1+R1/R20令Q=1/(3-k),w0=1/RG則可以寫(xiě)成其中k相當(dāng)于同相放大器的電壓放大倍數(shù)，叫做濾波器的通帶增益，Q叫做品質(zhì)因數(shù)，w0叫做特征角頻率。下圖是二階低通濾波器在RC=2寸的波特圖，其中圖圖b是Q=0.707時(shí)的效果，圖c是Q<

6、0.707時(shí)的效果<(a)Q>0.707二階低通濾波器在RC=2寸的波特圖從圖中可以看出，當(dāng)Q>0.707或Q<0.707時(shí)，通帶邊沿處會(huì)出現(xiàn)比較大的不平坦現(xiàn)象。因此，品質(zhì)因數(shù)表明了濾波器通帶的狀態(tài)。一般要求Q=0.707O由此可以得到這就是二階Butterworth濾波器電壓增益得計(jì)算0.707公式。令Q=0.707,得0.414R2=0.707R1通常把最大增益倍所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率叫做截止頻率,減。利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率這時(shí)濾波器具有3dB的衰w0=w=1/RC,即f=1/2pRCR下圖是二階高通濾波器的特點(diǎn)是，只允許高于截止頻率的信號(hào)通過(guò)Butt

7、erworth高通濾波器電路的理想物理模型。直接采用頻域分析方法，并令k=1+R1/R2,Q=1/(3-k),w0=1/RC則可以得到二階Butterworth高通濾波電路的傳遞函數(shù)為高通濾波器片式皿我斗幫考慮正弦穩(wěn)態(tài)條件下，s=jw,得亞河舊一刈”登二階Butterworth高通濾波器在頻率響應(yīng)特性與低通濾波器相似，當(dāng)Q>0.707或Q<0.707時(shí)，通帶邊沿處會(huì)出現(xiàn)不平坦現(xiàn)象。有關(guān)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算電路電阻參數(shù)R1和R2的方法與二階低通濾波器的計(jì)算相同。同樣，利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率w0=w=1/RC即f=1/2pRC軟件濾波的方法和算法軟件濾波的概念軟件濾波

8、：用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)，并濾除干擾信號(hào)的方法叫軟件濾波。軟件濾波的方法軟件濾波的方法：限幅濾波法（又稱(chēng)程序判斷濾波法）、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法（又稱(chēng)滑動(dòng)平均濾波法）、中位值平均濾波法（又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法）、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法、IIR數(shù)字濾波器。軟件濾波的各種方法比較:1、限幅濾波法（又稱(chēng)程序判斷濾波法）A、方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A）,每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A,則本次值無(wú)效，放棄本次值，用

9、上次值代替本次值B、優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。C、缺點(diǎn)：無(wú)法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。2、中位值濾波法A、方法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。B、優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果。C、缺點(diǎn)：對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。3、算術(shù)平均濾波法A、方法：連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選?。阂话懔髁?，N=12;壓力：N=4B、優(yōu)點(diǎn)：適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣信號(hào)的特點(diǎn)

10、是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。C、缺點(diǎn)：對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用，比較浪費(fèi)RAM4、遞推平均濾波法（又稱(chēng)滑動(dòng)平均濾波法）A、方法：把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N,每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).（先進(jìn)先出原則），把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選取：流量，N=12;壓力：N=4;液面，N=412;溫度，N=14B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。C、缺點(diǎn)：靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值

11、偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM5、中位值平均濾波法（又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法）A方法：相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。N值的選?。?-14B、優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。C、缺點(diǎn)：測(cè)量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣，比較浪費(fèi)RAM6、限幅平均濾波法A、方法：相當(dāng)于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”，每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊(duì)列進(jìn)行遞推平均濾波處理。B、優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性

12、干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。C、缺點(diǎn)：比較浪費(fèi)RAM7、一階滯后濾波法A、方法：取a=01,本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。C、缺點(diǎn)：相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。8、加權(quán)遞推平均濾波法A、方法：是對(duì)遞推平均濾波法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常是，越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。B、優(yōu)點(diǎn)：適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。C、缺點(diǎn)：對(duì)于純

13、滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長(zhǎng)，變化緩慢的信號(hào)不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。9、消抖濾波法A、方法：設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較：如果采樣值=當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零如果采樣值<>當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器+1,并判斷計(jì)數(shù)器是否>=上限N(溢出)，如果計(jì)數(shù)器溢出,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并清計(jì)數(shù)器。B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開(kāi)/關(guān)跳動(dòng)或顯示器上數(shù)值抖動(dòng)。C、缺點(diǎn)：對(duì)于快速變化的參數(shù)不宜，如果在計(jì)數(shù)器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會(huì)將干擾值當(dāng)作有效倡導(dǎo)入系統(tǒng)。10、限幅消抖濾波法A

14、、方法：相當(dāng)于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”先限幅，后消抖。B、優(yōu)點(diǎn)：繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)了“消抖濾波法”中的某些缺陷，避免將干擾倡導(dǎo)入系統(tǒng)。C、缺點(diǎn)：對(duì)于快速變化的參數(shù)不宜。11、IIR數(shù)字濾波器A.方法：確定信號(hào)帶寬，濾之。Y(n)=a1*Y(n-1)+a2*Y(n-2)+.+ak*Y(n-k)+b0*X(n)+b1*X(n-1)+b2*X(n-2)+.+bk*X(n-k)。B.優(yōu)點(diǎn)：高通，低通，帶通，帶阻任意。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單(用matlab)C.缺點(diǎn)：運(yùn)算量大。軟件濾波C程序詳例11種軟件濾波方法的示例程序假定從8位AD中讀取數(shù)據(jù)(如果是更高位的AD可定義數(shù)據(jù)類(lèi)型為int),子程

15、序?yàn)間et_ad();1111限副濾波/*A值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整value為有效值，new_value為當(dāng)前采樣值濾波程序返回有效的實(shí)際京*/#defineA10charvalue;charfilter()(charnew_value;new_value=get_ad();if(new_value-value>A)|(value-new_value>A)returnvalue;elsereturnnew_value;).2222、中位值濾波法/*N值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整排序采用冒泡法*/#defineN11charfilter()(charvalue_bufN;charcount,i

16、,j,temp;for(count=0;count<N-1;count+)(value_bufcount=get_ad();delay();for(j=0;j<N-1;j+)/冒泡法(for(i=0;i<N-1-j;i+)(if(value_bufi>value_bufi+1)(一一temp=value_bufi;value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;.returnvalue_buf(N-1)/2;.3333、算術(shù)平均濾波法/*/#defineN12charfilter()(intsum=0;for(count=0;coun

17、t<N;count+)(sum+=get_ad();delay();return(char)(sum/N);4444、遞推平均濾波法(又稱(chēng)滑動(dòng)平均濾波法)/*/#defineN12charvalue_bufN;chari=0;charfilter()(charcount;intsum=0;value_bufi+=get_ad();if(i=N)i=0;for(count=0;count<N;count+)sum=value_bufcount;return(char)(sum/N);5555、中位值平均濾波法(又稱(chēng)防脈沖干擾平均濾波法)/*/#defineN12charfilter(

18、)(charcount,i,j;charvalue_bufN;intsum=0;for(count=0;countvalue_bufcount=get_ad();delay();for(j=0;j<N-1;j+)/冒泡法for(i=0;i<N-1-j;i+)if(value_bufi>value_bufi+1)temp=value_bufi;value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;.for(count=0;count<N;count+)sum=value_bufcount;return(char)(sum/(N-2);6666

19、、限幅平均濾波法/*/略參考子程序1、37777、一階滯后濾波法/*為加快程序處理速度假定基數(shù)為100,a=0100*/#definea50charvalue;charfilter()(charnew_value;new_value=get_ad();return(100-a)*value+a*new_value;).8888、加權(quán)遞推平均濾波法/*coe數(shù)組為加權(quán)系數(shù)表，存在程序存儲(chǔ)區(qū)。*/#defineN12charcodecoeN=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12);charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;charfilt

20、er()charcount;charvalue_bufN;intsum=0;for(count=0,countvalue_bufcount=get_ad();delay();)for(count=0;count<N;count+)sum=value_bufcount;return(char)(sum/sum_coe);).9999、消抖濾波法#defineN12charfilter()charcount=0;charnew_value;new_value=get_ad();while(value!=new_value);.count+;if(count>=N)returnnew_v

21、alue;delay();new_value=get_ad();)returnvalue;)10101010、限幅消抖濾波法/*/略參考子程序1、911111111、IIRIIRIIRIIR濾波例子intBandpassFilter4(intInputAD4)(intReturnValue;intii;RESLO=0;RESHI=0;MACS=*PdelIn;OP2=1068;/FilterCoeff44;MACS=*(PdelIn+1);OP2=8;/FilterCoeff43;MACS=*(PdelIn+2);OP2=-2001;/FilterCoeff42;MACS=*(PdelIn+3);OP2=8;/FilterCoeff41;MACS=InputAD4;OP2=1068;/FilterCoeff40;MACS=*PdelOu;OP2=-7190;/FilterCoeff48;MACS=*(PdelO