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        巴特沃斯數(shù)字低通濾波器設(shè)計及應(yīng)用

        2017-01-12 21:58:28汪其銳王桂華王永軍
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年24期

        汪其銳+王桂華+王永軍

        摘 要:現(xiàn)實生活中存在各種各樣的干擾和波動,但隨著科技的發(fā)展與追求質(zhì)量的要求,這些擾動干擾愈來愈受到人們的重視,本文采用經(jīng)典的巴特沃斯數(shù)字濾波器對這些干擾進行過濾,取得了良好的效果。

        關(guān)鍵詞:有源濾波;巴特沃斯濾波; SIMULINK仿真

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.229

        1 數(shù)字濾波的意義

        在工業(yè)應(yīng)用中傳感器信號常常面臨噪聲干擾,嚴重影響了信號采集精度,傳統(tǒng)的處理方法就是增加有源濾波器,但隨著科技水平的發(fā)展,人們對精度的要求越來越高,因此有源濾波器逐漸滿足不了人們的要求,并且有源濾波器設(shè)計復(fù)雜,不能進行高次濾波,并且增加額外成本,因此,數(shù)字濾波技術(shù)應(yīng)用而生。

        2 巴特沃斯數(shù)字濾波器設(shè)計

        設(shè)計數(shù)字濾波器的關(guān)鍵就是找到濾波器的離散傳遞函數(shù),巴特沃斯濾波器的時域傳遞函數(shù)為:

        :濾波器階數(shù)

        :截止頻率(單位rad/s),波特圖中-3db點

        其各階分母系數(shù)如下:

        如果需要更高階的系數(shù),可用下式在MATLAB中計算:

        [b,a]=butter(n,1,'s'); %n為階數(shù) b為h(s)分母系數(shù)

        對于巴特沃斯離散傳遞函數(shù)的獲取,我們可以通過matlab函數(shù)直接得出h(z)

        [b,a]=butter(n,2*wc*t,'low') % 0<2*wc*t<1 b為h(z)分子系數(shù) a為分母系數(shù) wc:截止頻率;t:采樣時間。

        3 SIMULINK仿真

        假定輸入信號為正弦信號,其頻率為1hz,幅值為5,即5*sin(6.28*t)。加入噪聲干擾,分別設(shè)定截止頻率為2hz的一階慣性濾波和一階巴特沃斯濾波器進行對比。采樣時間為0.01s。

        一階慣性濾波傳遞函數(shù):,離散化之后

        兩者的信號處理情況如圖1所示。

        從圖中可以看出一階慣性濾波對信號衰減幅度較大,造成信號失真,并且延遲時間也較長,巴特沃斯效果不錯,因此我們可以將巴特沃斯數(shù)字濾波器應(yīng)用到實際項目中去。

        4 實驗結(jié)果分析

        我們利用某公司的智能控制器PLC,以及稱重傳感器搭建實驗平臺,輸入理想信號為5sin(6.28*t),加入噪聲信號,并濾波進行數(shù)據(jù)采集如圖2。

        其中圖一為理想信號,圖二為加入噪聲之后的信號,圖三為一階慣性濾波之后的信號,圖四為巴特沃斯濾波之后的信號,由此可以看出巴特沃斯濾波能夠明顯的起到降低干擾的作用。并且延遲較小,信號較平滑。

        5 結(jié)論

        通過理論仿真和實際測試,我們都能看出巴特沃斯數(shù)字濾波器能夠提高信號精度,并且不增加成本,設(shè)計較為簡單,延遲也較小,因此對于數(shù)據(jù)的采集能夠很好的應(yīng)用推廣,可以廣泛的應(yīng)用于稱重領(lǐng)域,注塑機領(lǐng)域等。

        參考文獻:

        [1]吳忻生,唐萍,秦瀚.數(shù)字濾波技術(shù)在稱重系統(tǒng)信號采集中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(09):131-134.

        [2]張小虹.數(shù)字信號處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

        作者簡介:汪其銳(1988-),男,山東濟南人,碩士,助理工程師,主要從事:電氣設(shè)計。

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