深入理解單片機(jī)數(shù)字濾波，濾波器降噪底層原理

當(dāng)我們進(jìn)行錄音的時(shí)候，往往是伴隨著環(huán)境噪音的，所以就需要降噪處理，這時(shí)候?yàn)V波器就派上用場了。

比如我們?nèi)苏f話的頻率在100赫茲到1200赫茲之間，那低于100赫茲和高于1200赫茲的頻率對(duì)我們來說就是噪聲。

所以專業(yè)的聲音采集設(shè)備都要加上一個(gè)濾波器，這樣就可以把噪音給濾出。

這是一個(gè)最簡單的濾波器模型，它可以把低于100赫茲的噪音頻率給濾除掉。為什么它可以把低頻信號(hào)給濾除呢？

很簡單，因?yàn)殡娙萦懈糁蓖ń坏奶匦裕?dāng)直流電經(jīng)過電容時(shí)，它相當(dāng)于斷路，而交流電的頻率越高，越容易通過電容。

所以他能讓高頻信號(hào)通過，把低頻信號(hào)拒之門外。

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單片機(jī)主要作用是控制外圍的器件，并實(shí)現(xiàn)一定的通信和數(shù)據(jù)處理。但在某些特定場合，不可避免地要用到數(shù)學(xué)運(yùn)算，盡管單片機(jī)并不擅長實(shí)現(xiàn)算法和進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。下面主要是介紹如何用單片機(jī)數(shù)字濾波。

在單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)遇到數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干擾引起的，其特點(diǎn)是在相同條件下測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)會(huì)現(xiàn)無規(guī)則的變化而無法預(yù)測(cè)，但多次測(cè)量的結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為克服隨機(jī)干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術(shù)，軟件上可采用軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。濾波算法往往是系統(tǒng)測(cè)控算法的一個(gè)重要組成部分，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。

采用數(shù)字濾波算法克服隨機(jī)干擾的誤差具有以下優(yōu)點(diǎn)：

數(shù)字濾波無需其他的硬件成本，只用一個(gè)計(jì)算過程，可靠性高，不存在阻抗匹配問題。尤其是數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，這是模擬濾波器做不到的。

數(shù)字濾波使用軟件算法實(shí)現(xiàn)，多輸入通道可共用一個(gè)濾波程序，降低系統(tǒng)開支。

只要適當(dāng)改變?yōu)V波器的濾波程序或運(yùn)算，就能方便地改變其濾波特性，這對(duì)于濾除低頻干擾和隨機(jī)信號(hào)會(huì)有較大的效果。

在單片機(jī)系統(tǒng)中常用的濾波算法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波等。

那關(guān)鍵是這個(gè)臨界點(diǎn)怎么算呢？

比如我們?cè)趺创_定它能濾掉的信號(hào)是低于100赫茲而不是1000赫茲呢？

這就涉及到濾波器的截止頻率了，這是它的計(jì)算公式。

按照這個(gè)公式，我們?nèi)ミx擇電阻電容的值，比如電阻是1000歐姆，電容為160nf。

這樣他就能把低于100赫茲的頻率出。

那是不是只要低于100赫茲的頻率就完全沒有了呢？

比如99赫茲就過不去，而101赫茲都可以完美地通過呢，完全不是這樣的，這個(gè)濾波器對(duì)99赫茲和101赫茲的作用幾乎是一樣的。

其實(shí)99赫茲跟101赫茲都可以通過，這個(gè)濾波器的截止頻率還有什么意義呢？

這就不得不提電子學(xué)常說的增益了。

這是它的計(jì)算公式。

即用他的輸出電壓信號(hào)比輸入電壓信號(hào)也可以看作是電路的放大倍數(shù)。

當(dāng)處于截止頻率時(shí)，他的增益為固定的0.707，這是他的幅頻特性。

可以看出，當(dāng)處于截止頻率時(shí)，他的增益正好是0.707，意思就是此時(shí)輸出的電壓強(qiáng)度只有輸入的70%。

比如我們輸入100赫茲，幅值為10伏的電壓。

則它輸出電壓將變?yōu)?伏的100赫茲的電壓。

而低于這個(gè)頻率的話，它的信號(hào)衰減的很嚴(yán)重。

而高于這個(gè)頻率的話，信號(hào)將會(huì)得到加強(qiáng)。

比如當(dāng)頻率無窮大的時(shí)候，增益為一，也就是他的輸出幾乎和輸入完全一樣，這就是高通濾波器的作用，它能讓高頻信號(hào)通過。

如果從最根本上解釋這個(gè)問題，我覺得用阻抗可以讓你對(duì)他有更深的理解。

我們知道電阻對(duì)電流阻礙作用，所以用電阻表示對(duì)電流阻礙的大小，那電容也一樣，他對(duì)交流的阻礙交容抗。這些統(tǒng)稱為阻抗。

這是容抗的計(jì)算方式。比如當(dāng)頻率為零的時(shí)候，它的容抗是無限大的，這也印證了電容隔直流的特性。

容抗跟頻率和電容容量都有關(guān)系。他的單位也是歐姆，這樣我們就完成了電阻和電容的大一統(tǒng)。

比如剛才我們這個(gè)電路，我們可以把這兩個(gè)看做電阻串聯(lián)，比如我們還是輸入十伏的100赫茲交流電。

則電容的容抗就是十歐姆的電阻，也是十歐母的花感覺電阻分壓原理。

此時(shí)這一點(diǎn)輸出的就是5伏的電壓。

頻率還是100合資，但電壓衰減了一半，如果頻率無窮大，則它的容抗是0歐姆，所以輸出的波形幾乎和輸入波形完全一致。

對(duì)于頻率特別高的波形可以完全通過，我們完全就可以把它看作一個(gè)電阻，它的底層邏輯還是之前都知道的電阻分壓的原理。

這就是高通濾波器的實(shí)現(xiàn)原理，而這個(gè)是低通濾波器，它可以讓低頻信號(hào)通過，大家可以想想他是怎么實(shí)現(xiàn)的。

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