硬件设计中滤波电路与软件滤波算法.docx

1、电磁兼容实验报告（硬件设计中滤波电路与软件滤波的算法）学院：专业：班级：作者: 硬件设施中的滤波电路硬件滤波的一些概念：硬件滤波：主要是通过电容电阻来组合起来滤波。滤波：就是滤掉电路中不需要的成分，留下有用的成分。按功能分：有电源滤波器、音频滤波器、电源滤波器（交流滤波器和直流滤波器） 。滤波的基本概念滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都 可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频

2、率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。实际上，任何一个电子系统都 具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率 特性实现对信号中频率成分的选择。根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤 波器叫做高通滤波器。当允许信号中较低频率的成分

3、通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。理想滤波器的幅频特性如图所示。图中，w1 和 w2 叫做滤波器的截止频率。滤波器频率响应特性的幅频特性图对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，简称通带，增益幅度为零的频率范围叫做阻带。例如对于 LP，从-w1 当 w1 之间，叫做 LP 的通带，其他 频率部分叫做阻带。通带所表示的是能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率成分，阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分。通带内信号所获得的增益， 叫

4、做通带增益，阻带中信号所得到的衰减，叫做阻带衰减。在工程实际中，一般使用 dB 作为滤波器的幅度增益单位。三：低通滤波器和高通滤波器低通滤波器低通滤波器的基本电路特点是，只允许低于截止频率的信号通过。（1）一阶低通 Butterworth 滤波电路下图 a 和 b 是用运算放大器设计的两种一阶 Butterworth 滤波电路的电路。 图 a 是反相输入一阶低通滤波器，实际上就是一个积分电路，其分析方法与一阶积分电路相同。图 b 是同相输入的一阶低通滤波器。根据给定的电路图可以得到对滤波器来说，更关心的是正弦稳态是的行为特性，利用拉氏变换与富氏变换的关系，有下图是上式 RC=2 时的幅频特性和

5、相频特性波特图。RC=2 时一阶 Butterworth 低通滤波器的频率响应特性（2） 二阶低通 Butterworth 滤波电路下图是用运算放大器设计的二阶低通 Butterworth 滤波电路。二阶 Butterworth 低通滤波电路 直接采用频域分析方法得到其中 k = 1+R1/R2 。令 Q=1/（3-k），w0=1/RC，则可以写成 其中 k 相当于同相放大器的电压放大倍数，叫做滤波器的通带增益，Q 叫做品质因数，w0 叫做特征角频率。下图是二阶低通滤波器在 RC=2 时的波特图，其中图 a 是 Q0.707 时的效果，图 b 是 Q=0.707 时的效果，图 c 是 Q0.7

6、07(b) Q=0.707(c)Q0.707 或 Q0.707 或 QA,则 本 次 值 无 效 ,放 弃 本 次 值 ,用 上 次 值 代 替 本 次 值 B、 优 点 ： 能 有 效 克 服 因 偶 然 因 素 引 起 的 脉 冲 干 扰 。 C、 缺 点 ： 无 法 抑 制 那 种 周 期 性 的 干 扰 ， 平 滑 度 差 。 2、 中 位 值 滤 波 法 A、 方 法 ： 连 续 采 样 N 次 （ N 取 奇 数 ） ， 把 N 次 采 样 值 按 大 小 排 列 ， 取 中间 值 为 本 次 有 效 值 。 B、 优 点 ： 能 有 效 克 服 因 偶 然 因 素 引 起 的 波

7、 动 干 扰 ， 对 温 度 、 液 位 的 变 化缓 慢 的 被 测 参 数 有 良 好 的 滤 波 效 果 。 C、 缺 点 ： 对 流 量 、 速 度 等 快 速 变 化 的 参 数 不 宜 。 3、 算 术 平 均 滤 波 法 A、 方 法 ： 连 续 取 N 个 采 样 值 进 行 算 术 平 均 运 算 。 N 值 较 大 时 ： 信 号 平滑 度 较 高 ， 但 灵 敏 度 较 低 ； N 值 较 小 时 ： 信 号 平 滑 度 较 低 ， 但 灵 敏 度 较 高 。N 值 的 选 取 ： 一 般 流 量 ， N=12； 压 力 ： N=4 B、 优 点 ： 适 用 于 对 一

8、般 具 有 随 机 干 扰 的 信 号 进 行 滤 波 ， 这 样 信 号 的 特 点是 有 一 个 平 均 值 ， 信 号 在 某 一 数 值 范 围 附 近 上 下 波 动 。 C、 缺 点 ： 对 于 测 量 速 度 较 慢 或 要 求 数 据 计 算 速 度 较 快 的 实 时 控 制 不 适 用 ，比 较 浪 费 RAM。 4、 递 推 平 均 滤 波 法 （ 又 称 滑 动 平 均 滤 波 法 ） A、 方 法 ： 把 连 续 取 N 个 采 样 值 看 成 一 个 队 列 ， 队 列 的 长 度 固 定 为 N，每 次 采 样 到 一 个 新 数 据 放 入 队 尾 ,并 扔 掉

9、 原 来 队 首 的 一 次 数 据 .(先 进 先 出 原则 )， 把 队 列 中 的 N 个 数 据 进 行 算 术 平 均 运 算 ,就 可 获 得 新 的 滤 波 结 果 。 N 值的 选 取 ： 流 量 ， N=12； 压 力 ： N=4； 液 面 ， N=412； 温 度 ， N=14 B、 优 点 ： 对 周 期 性 干 扰 有 良 好 的 抑 制 作 用 ， 平 滑 度 高 ， 适 用 于 高 频 振 荡的 系 统 。 C、 缺 点 ： 灵 敏 度 低 ， 对 偶 然 出 现 的 脉 冲 性 干 扰 的 抑 制 作 用 较 差 ， 不 易消 除 由 于 脉 冲 干 扰 所 引

10、起 的 采 样 值 偏 差 ， 不 适 用 于 脉 冲 干 扰 比 较 严 重 的 场 合 ，比 较 浪 费 RAM 5、 中 位 值 平 均 滤 波 法 （ 又 称 防 脉 冲 干 扰 平 均 滤 波 法 ） A、 方 法 ： 相 当 于 “中 位 值 滤 波 法 ”+“算 术 平 均 滤 波 法 ”。 连 续 采 样 N个 数 据 ， 去 掉 一 个 最 大 值 和 一 个 最 小 值 ， 然 后 计 算 N-2 个 数 据 的 算 术 平 均 值 。N 值 的 选 取 ： 314 B、 优 点 ： 融 合 了 两 种 滤 波 法 的 优 点 ， 对 于 偶 然 出 现 的 脉 冲 性 干

11、 扰 ， 可 消除 由 于 脉 冲 干 扰 所 引 起 的 采 样 值 偏 差 。 C、 缺 点 ： 测 量 速 度 较 慢 ， 和 算 术 平 均 滤 波 法 一 样 ， 比 较 浪 费 RAM。 6、 限 幅 平 均 滤 波 法 A、 方 法 ： 相 当 于 “限 幅 滤 波 法 ”+“递 推 平 均 滤 波 法 ”， 每 次 采 样 到 的新 数 据 先 进 行 限 幅 处 理 ， 再 送 入 队 列 进 行 递 推 平 均 滤 波 处 理 。 B、 优 点 ： 融 合 了 两 种 滤 波 法 的 优 点 ， 对 于 偶 然 出 现 的 脉 冲 性 干 扰 ， 可 消除 由 于 脉 冲

12、干 扰 所 引 起 的 采 样 值 偏 差 。 C、 缺 点 ： 比 较 浪 费 RAM。 7、 一 阶 滞 后 滤 波 法 A、 方 法 ： 取 a=01， 本 次 滤 波 结 果 =（ 1-a） *本 次 采 样 值 +a*上 次 滤 波结 果 。 B、 优 点 ： 对 周 期 性 干 扰 具 有 良 好 的 抑 制 作 用 ， 适 用 于 波 动 频 率 较 高 的 场合 。 C、 缺 点 ： 相 位 滞 后 ， 灵 敏 度 低 ， 滞 后 程 度 取 决 于 a 值 大 小 ， 不 能 消 除滤 波 频 率 高 于 采 样 频 率 的 1/2 的 干 扰 信 号 。 8、 加 权 递

13、推 平 均 滤 波 法 A、 方 法 ： 是 对 递 推 平 均 滤 波 法 的 改 进 ， 即 不 同 时 刻 的 数 据 加 以 不 同 的 权 。通 常 是 ， 越 接 近 现 时 刻 的 数 据 ， 权 取 得 越 大 。 给 予 新 采 样 值 的 权 系 数 越 大 ，则 灵 敏 度 越 高 ， 但 信 号 平 滑 度 越 低 。 B、 优 点 ： 适 用 于 有 较 大 纯 滞 后 时 间 常 数 的 对 象 和 采 样 周 期 较 短 的 系 统 。 C、 缺 点 ： 对 于 纯 滞 后 时 间 常 数 较 小 ， 采 样 周 期 较 长 ， 变 化 缓 慢 的 信 号 不能

14、迅 速 反 应 系 统 当 前 所 受 干 扰 的 严 重 程 度 ， 滤 波 效 果 差 。 9、 消 抖 滤 波 法 A、 方 法 ： 设 置 一 个 滤 波 计 数 器 将 每 次 采 样 值 与 当 前 有 效 值 比 较 ： 如 果 采样 值 =当 前 有 效 值 ， 则 计 数 器 清 零 如 果 采 样 值 =上 限 N(溢 出 )， 如 果 计 数 器 溢 出 ,则 将 本 次 值 替 换 当 前有 效 值 ,并 清 计 数 器 。 B、 优 点 ： 对 于 变 化 缓 慢 的 被 测 参 数 有 较 好 的 滤 波 效 果 ， 可 避 免 在 临 界 值附 近 控 制 器 的

15、 反 复 开 /关 跳 动 或 显 示 器 上 数 值 抖 动 。 C、 缺 点 ： 对 于 快 速 变 化 的 参 数 不 宜 ， 如 果 在 计 数 器 溢 出 的 那 一 次 采 样 到的 值 恰 好 是 干 扰 值 ,则 会 将 干 扰 值 当 作 有 效 值 导 入 系 统 。 10、 限 幅 消 抖 滤 波 法 A、 方 法 ： 相 当 于 “限 幅 滤 波 法 ”+“消 抖 滤 波 法 ” 先 限 幅 ,后 消 抖 。 B、 优 点 ： 继 承 了 “限 幅 ”和 “消 抖 ”的 优 点 改 进 了 “消 抖 滤 波 法 ”中的 某 些 缺 陷 ,避 免 将 干 扰 值 导 入

16、系 统 。 C、 缺 点 ： 对 于 快 速 变 化 的 参 数 不 宜 。 11、 IIR 数 字 滤 波 器 A. 方 法 ： 确 定 信 号 带 宽 ， 滤 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. 优 点 ： 高 通 ， 低 通 ， 带 通 ， 带 阻 任 意 。 设 计 简 单 (用 matlab） C. 缺 点 ： 运 算 量 大 。软 件 滤 波 C 程 序 详 例11 种 软 件 滤 波 方 法 的 示 例 程 序

17、假 定 从 8 位 AD 中 读 取 数 据 （ 如 果 是 更 高 位 的 AD 可 定 义 数 据 类 型 为 int), 子 程 序 为 get_ad(); 1111 限 副 滤 波 /* A 值 可 根 据 实 际 情 况 调 整 value 为 有 效 值 ， new_value 为 当 前 采 样 值 滤 波 程 序 返 回 有 效 的 实 际 值 */ #define A 10 char value; char filter() char new_value; new_value = get_ad(); if ( ( new_value - value A ) | ( value - new_value A ) return value; else return new_value; 2 2 2 2 、 中 位 值 滤 波 法 /* N 值 可 根 据 实 际 情 况 调 整 排 序 采 用 冒 泡 法 */ #define N 11 char filter() char value_buf N; char count,i,j,temp; for ( count=0;countN-1;count+) value_buf count = get_ad(); delay();