一阶RC高通滤波器详解(仿真+matlab+C语言实现)

举报
小麦大叔 发表于 2021/12/04 23:57:42 2021/12/04
【摘要】 文章目录 预备知识关于电容HPF的推导 simulink 仿真simulink 运行结果matlab 实现matlab 运行结果C语言实现 如果本文帮到了你,帮忙点个赞; 如果本文...

如果本文帮到了你,帮忙点个赞;
如果本文帮到了你,帮忙点个赞;
如果本文帮到了你,帮忙点个赞;

HPF 一阶RC高通滤波器详解(仿真+matlab+C语言实现)
LPF 一阶RC低通滤波器详解(仿真+matlab+C语言实现)

预备知识

高通滤波器(HPF-high pass filter)可以滤除频率低于截止频率的信号,类似的还有低通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器。一阶RC高通滤波器的电路如下图所示;
在这里插入图片描述

关于电容

首先对电容的几个公式做一下补充;
电容大小 C C C满足;
C = q V ⋯ ① C=\cfrac{q}{V} \cdots① C=Vq​⋯①
其中 q q q 是电容所带的电荷量, V V V 是电容两端的电势差;
另外,电流相当于单位时间流过导体的电荷量;因此电流 i i i 满足;
i = d q d t ⋯ ② i = \cfrac{dq}{dt}\cdots② i=dtdq​⋯②

根据①,②可以得到电容大小 C C C 和电容的电流 i i i 以及两端电压 V V V 的关系;
i ( t ) = C d v ( t ) d t i(t) = C\cfrac{dv(t)}{dt} i(t)=Cdtdv(t)​

HPF的推导

由以上电路可知,假设电流为 i ( t ) i(t) i(t),则可知
{ V o u t = R i ( t ) ⋯ ③ i ( t ) = C d Q c ( t ) d t ⋯ ④

⎧⎩⎨⎪⎪Vout=Ri(t)⋯③i(t)=CdQc(t)dt⋯④ { V o u t = R i ( t ) ⋯ ③ i ( t ) = C d Q c ( t ) d t ⋯ ④
⎩⎨⎧​Vout​=Ri(t)⋯③i(t)=CdtdQc​(t)​⋯④​
V c ( t ) V_c(t) Vc​(t)
− V i n + V C + V o u t = 0 -V_{in} + V_C + V_{out} = 0 −Vin​+VC​+Vout​=0

所以结合①,③,④可以得到;
Q c ( t ) = C ( V i n ( t ) − V o u t ( t ) ) ⋯ ⑤ Q_c(t) = C( V_{in}(t) - V_{out}(t)) \cdots ⑤ Qc​(t)=C(Vin​(t)−Vout​(t))⋯⑤

根据 ③,④,⑤ 可以得到以下关系;
V o u t = C ( d V i n d t − d V o u t d t ) ⏞ I ( t ) R = R C ( d V i n d t − d V o u t d t ) ⋯ ⑥ V_{out} = \overbrace{ C( \cfrac{dV_{in}}{dt} - \cfrac{dV_{out}}{dt}) }^{I(t)} R = RC(\cfrac{dV_{in}}{dt} - \cfrac{dV_{out}}{dt}) \cdots ⑥ Vout​=C(dtdVin​​−dtdVout​​) ​I(t)​R=RC(dtdVin​​−dtdVout​​)⋯⑥

将方程进行离散化,如果输入 V i n V_{in} Vin​和输出输入 V o u t V_{out} Vout​按照 △ T \bigtriangleup_{T} △T​的时间采样,那么可以将输入和输出序列化,则
V i n V_{in} Vin​序列化为:
( x 1 , x 2 , x 3 ⋯   , x n − 1 , x n ) (x_{1},x_{2},x_{3}\cdots,x_{n-1},x_{n}) (x1​,x2​,x3​⋯,xn−1​,xn​)
V o u t V_{out} Vout​序列化为:
( y 1 , y 2 , y 3 ⋯   , y n − 1 , y n ) (y_{1},y_{2},y_{3}\cdots,y_{n-1},y_{n}) (y1​,y2​,y3​⋯,yn−1​,yn​)

根据⑥式可以进行离散化,因此最终滤波输出的序列 y i y_{i} yi​ 如下所示;
y i = R C ( x i − x i − 1 △ T − y i − y i − 1 △ T ) ⋯ ⑦ y_{i} = RC(\cfrac{x_{i}-x_{i-1}}{\bigtriangleup_{T}} -\cfrac{y_{i}-y_{i-1}}{\bigtriangleup_{T}} )\cdots⑦ yi​=RC(△T​xi​−xi−1​​−△T​yi​−yi−1​​)⋯⑦
将⑦再进一步简化得到;

在这里插入图片描述

y i = α y i − 1 + α ( x i − x i − 1 ) y_{i} = \alpha y_{i-1} + \alpha(x_i - x_{i-1}) yi​=αyi−1​+α(xi​−xi−1​)

其中 α = R C R C + △ T \alpha = \cfrac{RC}{RC+\bigtriangleup_{T}} α=RC+△T​RC​

所以换成得到;
R C = △ T ( α 1 − α ) ⋯ ⑧ RC = \bigtriangleup_{T}(\cfrac{\alpha}{1-\alpha}) \cdots⑧ RC=△T​(1−αα​)⋯⑧

另外截止频率和低通滤波器的相同;
f c = 1 2 π R C f_c = \cfrac{1}{2\pi RC} fc​=2πRC1​

将⑧式代入可以得到截止频率和 α \alpha α 的关系;
f c = 1 − α 2 π α △ T f_c = \cfrac{1-\alpha}{2\pi \alpha \bigtriangleup_{T}} fc​=2πα△T​1−α​
这个公式便于简化后面程序以及截止频率的计算。

simulink 仿真

这里根据公式⑥构建simulink的子模块subsystem;
V o u t = R C ( d V i n d t − d V o u t d t ) V_{out} = RC(\cfrac{dV_{in}}{dt} - \cfrac{dV_{out}}{dt}) Vout​=RC(dtdVin​​−dtdVout​​)
具体如下所示;
在这里插入图片描述
整体的仿真如下图所示;
在这里插入图片描述
其中Sine Wave频率设置为2*pi*40,频率为40赫兹;
在这里插入图片描述

其中Sine Wave1频率设置为2*pi*4,频率为4赫兹;

在这里插入图片描述

所以这里需要使得2*pi*4的信号衰减,所以根据,截止频率 f c f_c fc​ 的计算公式,可以改变增益的值,具体如下所示;
在这里插入图片描述
这里RC增益为0.005,因此
f c = 1 2 π R C = 1 2 π ∗ 0.005 ≈ 31.8 f_c = \cfrac{1}{2\pi RC} = \cfrac{1}{2\pi *0.005} \approx 31.8 fc​=2πRC1​=2π∗0.0051​≈31.8

simulink 运行结果

在这里插入图片描述

matlab 实现

matlab根据以下这个公式进行数字滤波器的设计;
y i = α y i − 1 + α ( x i − x i − 1 ) y_{i} = \alpha y_{i-1} + \alpha(x_i - x_{i-1}) yi​=αyi−1​+α(xi​−xi−1​)
另外 α \alpha α 的值如何确定需要参考⑧式;

Serial = 0:0.1:100;
Fs = 1;
Phase = 0;
Amp = 1;

N0 = 2*pi*Fs*Serial - Phase;
X0 = Amp*sin(N0);
subplot(4,1,1);
plot(X0);

Fs = 0.02;
N1 = 2*pi*Fs*Serial - Phase;
X1 = Amp*sin(N1);
subplot(4,1,2);
plot(X1);

X2=X0+X1;
subplot(4,1,3);
plot(X2);

len = length(X2);
X3=X2;
p=0.75;

for i=2:len
    X3(i) = p*X3(i-1)+p*(X2(i)- X2(i-1))
end

subplot(4,1,4);
plot(X3);

  
 
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30

简单地分析一下,代码中的X1,X2,X3;

  • X1频率为1
  • X2频率为0.02

{ α = p = 0.75 △ T = 0.1 f c = 1 − α 2 π α △ T

⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪α=p=0.75△T=0.1fc=1−α2πα△T { α = p = 0.75 △ T = 0.1 f c = 1 − α 2 π α △ T
⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧​α=p=0.75△T​=0.1fc​=2πα△T​1−α​​

因此可以得到截止频率如下;
f c = 0.25 2 π ∗ 0.75 ∗ 0.1 ≈ 0.53 f_c=\cfrac{0.25}{2\pi *0.75* 0.1} \approx 0.53 fc​=2π∗0.75∗0.10.25​≈0.53

matlab 运行结果

在这里插入图片描述

C语言实现

typedef struct
{
     int16_t  Input[2];
     int16_t  Output[2];
     int32_t  FilterTf;		
     int32_t  FilterTs;
     int32_t  Ky;
} high_filter;

void high_filter_init(high_filter *v);
int16_t high_filter_calc(high_filter *v);

  
 
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11

其中;

  • FilterTs为采样时间 △ T \bigtriangleup_{T} △T​;
  • FilterTf为RC时间常数;
  • Input[0]表示 x i x_i xi​;
  • Input[1]表示 x i − 1 x_{i-1} xi−1​;
  • Output[0]表示 y i y_i yi​;
  • Output[1]表示 y i − 1 y_{i-1} yi−1​;
  • Ky表示 R C R C + △ T \cfrac{RC}{RC+\bigtriangleup_{T}} RC+△T​RC​;

参考公式如下所示;
在这里插入图片描述

void high_filter_init(high_filter *v){	
     v->Ky = v->FilterTf*1024/(v->FilterTs + v->FilterTf);
}

int16_t high_filter_calc(high_filter *v){

	int32_t tmp = 0;

	tmp = ((int32_t)v->Ky*v->Output[1] + v->Ky*(v->Input[0] - v->Input[1]))/1024;
	if(tmp>32767){
		tmp = 32767;
	}
	
	if( tmp < -32768){
		tmp = -32768;
	}
	
    v->Output[0] = (int16_t)tmp;
    v->Output[1] = v->Output[0];
    v->Input[1] = v->Input[0];
	return v->Output[0];
}

  
 
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22

文章来源: great.blog.csdn.net,作者:小麦大叔,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:great.blog.csdn.net/article/details/104218639

【版权声明】本文为华为云社区用户转载文章,如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,欢迎发送邮件进行举报,并提供相关证据,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容,举报邮箱: cloudbbs@huaweicloud.com
  • 点赞
  • 收藏
  • 关注作者

评论(0)

0/1000
抱歉,系统识别当前为高风险访问,暂不支持该操作

全部回复

上滑加载中

设置昵称

在此一键设置昵称,即可参与社区互动!

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。

*长度不超过10个汉字或20个英文字符,设置后3个月内不可修改。