小伙伴們一定都用過下面這個無源 RC 低通濾波電路:
其拉普拉斯模型如下:
由于
所以:
其幅頻響應為:
由其傳遞函數可知,這是一個單極點系統,其阻帶滿足-20dB/10 倍頻程斜率下降。其截止頻率為:
如把 C/R 交換位置則變成了高通濾波器,其截止頻率依然按上式進行計算。這里也分享一個可在線計算的網址給大家:
http://www.1cnz.cn/tools/rclvboqijiezhipinlv.html
其通帶增益為 0dB。為什么要先談談硬件的一階濾波器呢? 因為這個是大家最為熟悉的東西,而且也一定學過對其進行幅頻響應分析。
既然硬件很容易實現一階低通或者高通濾波器,那么為什么還要討論一階數字濾波器呢?
硬件濾波器需要 RC 器件,R/C 的規格并不能隨意選取,受廠家規格限制,其數值并不連續,特殊規格需要定制
數字濾波器非常靈活,一階數字濾波器計算代價極低。隨便一個單片機都可以玩的轉。
在滿足香農采樣定理的前提下可靈活實現截止頻率。
數字濾波器
這里直接把差分方程列出來,具體推導就不羅嗦了,有興趣可以找書看看,比較容易:
其中
表示濾波時間常數,T 表示采樣周期。
MATLAB 代碼
clc;formatcompact s=tf('s'); w=50;%rad/s H=w/(s+w) T=1/500; Hd=c2d(H,T,'zoh') opts=bodeoptions; opts.FreqUnits='rad/s'; opts.XLim=[0.01,10000]; opts.Grid='on'; bode(H,Hd,opts)
從其響應曲線看為一低通濾波器,相頻響應不線性,從其差分方程也看出輸出反饋參與運算了,所以其本質是 IIR 濾波器。
上代碼
#include
取濾波時間常數為 0.005S,采樣周期為 0.2S,為 40 倍關系,來看一下上述代碼的濾波效果,波形未失真,效果棒棒噠~
如果將常數修改為 0.1S,看下效果:
由圖可見,幅度已經衰減,波形已經失真,傳遞函數的幅頻響應已進入衰減區。所以實際使用的時候,濾波器時間常數盡量取小于采樣周期 10 倍為宜,具體可以仿真一下,或者類似上面測試程序測試一下為宜。
總結一下
一階數字濾波計算簡單,實現代價非常低。在濾除高頻噪聲時應用很廣泛。其本質是 IIR 濾波器,為啥要單列出來介紹一下呢?是因為其實現簡單,實際使用時也不必進行復雜的仿真。
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原文標題:手把手教系列之一階數字濾波器設計實現(附代碼)
文章出處:【微信號:mcu168,微信公眾號:硬件攻城獅】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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