• 计控实验(一)—— 数字滤波实验


    太原理工大学计算机控制技术实验之数字滤波实验

    实验原理

    一般现场环境比较恶劣,干扰源比较多,消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点,被广泛应用,下面是一个典型数字滤波的方框图。
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    (1)一阶惯性滤波:
    相当于传函1/(τs+1)的数字滤波器,由一阶差分法可得近似式
    𝑌𝑘 = (1 − 𝑎)𝑋𝑘 + (𝑎) 𝑌𝑘−1

    𝑋𝑘:当前采样时刻的输入
    𝑌𝑘:当前采样时刻的输出
    𝑌𝑘−1:前一采样时刻的输出
    T:采样周期,1 − 𝑎 =T/τ
    (2)四点加权滤波算法为:
    〖Y_K=A〗_1 X_K+A_2 X_(K-1)+A_3 X_(K-2)+A_4 X_(K-3)(式中∑_(i=0)^4▒〖A_i=1〗)

    X_K:当前采样时刻的输入
    X_(K-1):前一采样时刻的输入
    Y_K:当前采样时刻的输出

    实验内容

    实验线路图设计

    (1)惯性滤波
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    参考流程图

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    实验步骤及结果

    采样周期设计

    1)采样周期为5ms
    8253A采用计数器2,时钟信号周期为10us,所以写入计数值0x01F4,则5ms产生一次中断信号,给8089的NMI,进入中断程序,使Sample_Mark=1,由于判断Sample_Mark=1,则进入AD转换,所以采样时间为5ms。

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    1)采样周期为40ms
    8253A采用计数器2,时钟信号周期为10us,所以写入计数值0x01F4,则5ms产生一次中断信号,给8089的NMI,进入中断程序,使Sample_Mark++,由于判断Sample_Mark=8,则进入AD转换,所以采样时间为40ms。
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    运行结果

    1)惯性滤波,采样周期为5ms
    可以看出输出曲线相较于输入曲线平滑了一些,滤波作用较为明显。
    黄线:给定信号源;
    蓝线:经过滤波后的输出电压;
    红线:给定的脉冲信号;
    绿线:8253A输出的OUT1信号,定时产生中断信号。
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    2)惯性滤波,采样周期为40ms
    发现滤波曲线变得平滑,但是相较于5ms有所延迟。
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    3)四点加权滤波,采样周期为5ms
    滤波效果优秀,延迟较小。
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    4)四点加权滤波,采样周期为40ms
    滤波效果较好,延迟较小,但波形有轻微波动。

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    思考题

    1.思考实验中ADC0809的A、B、C端为什么要接+5V?
    ADC0809 的 A、B、C 为通道选择信号,当 A、B、C 端接+5V 时,A、B、C端都是高电平,此时选通通道为 IN7.

    2.试结合实验原理图和模电知识,说明尖峰噪声信号产生的原理
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    根据实验原理图可得,运算放大器U13与三个电压源U1、U2、U3构成了加法电路,则此时运算放大器的输出为:
    Uout=-(U1+U2+U3)
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    其中U1是2.5V的恒压源,U2是振幅为1V,频率为5Hz的正弦波,U3是幅值为1V,脉冲宽度为5%,频率为20Hz的脉冲信号,所以运算放大器的输出在恒压2.5V上叠加正弦波,并且有一个幅值为1V的脉冲信号,产生尖峰噪声。
    3.实验中采样周期对滤波效果和输出信号有什么影响?
    采样周期太大,采样频率就会变小,如果采样频率小于信号的最大频率的两倍,就会出现频率混送。采样周期越长,滤波效果就越明显,输出信号就越平滑,但是输出曲线出现明显的延迟。

    4.实验中一阶惯性滤波的系数a和1-a与惯性时间常数有什么关系,试推导

    一阶惯性环节的传递函数为:
    在这里插入图片描述

    (Y(s))/(X(s))=1/(τs+1)
    可以得到:
    τsY(s)+Y(s)=X(s)
    采用后向差分可得:
    τ (y(kT)-y((k-1)T))/T+y(kT)=x(kT)
    化简可得(kT表示为k):
    y(k)=T/(τ+T) x(k)+τ/(τ+T) y(k-1)
    由公式可得:
    1-a=T/(τ+T)
    a=τ/(τ+T)
    由于T远远小于τ,所以一般简化为
    1-a=T/τ

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_46424753/article/details/127957314