RC濾波器的妙用以及部分調試經驗

ID:50574 · 發表于 2013-7-7 01:28

前言：最近在調一個MSP430單片機控制電機并測速度的電路。整個電路從設計制作到調試成功，花了將近四天時間，中間Bug多多，最后解決Bug的時候自己都忍不住笑自己了——好笨啊！

廢話不多說，直接進入主題，maswell我最反感的就是水軍論文中的戰斗機論文都是先扯一大堆廢話，然后才開始一堆沒用的廢話。。。哎呀，又扯廢話了。切入主題吧。

先說說我這個系統。下面Figure 1是MSP430主控制部分，用的芯片是MSP430G2553單片機（11、12號引腳是反過來滴），第一個是Pro Download接口，顧名思義，就是程序下載口，我用的MSP430G系列的launchPad開發板連接到我設計的板子上的，通過這幾個接口利用launchPad即可下載程序，為了方便布線，我打亂了這幾個接口的順序。PWM1和PWM2接口是連接到H橋的兩個接口，這里使用了G2553的定時器A1產生PWM。CAP_P12是光電對管連接到比較強后輸入到單片機的一個捕獲接口，因為這里可以用定時器A0的捕獲接口，使用定時器的捕獲功能，可以使得程序設計更為簡單。整個系統利用了兩個定時器，并結合中斷，使得整個系統都處于休眠狀態，功耗可以做得比較低（但由于電機和12864的存在，這里的低功耗程序設計顯得毫無意義額。。。）。另外還有一個12864的串行外部接口（SPI）三根線。

Figure 1 MSP430G2553主控制部分

Figure2 maswell的實驗設備

再放一個三線控制13864的圖。由于MSP430x2xx系列是3.3V的器件，這里用到了一個245芯片來轉換電平電壓（CS和SCLK的順序反了，后來布線的時候改的）。初學者往往會遇到一個問題，就是為什么我的12864的滑動變阻器調了，12864的亮度都不變呢，maswell我在這里只提一點：注意你的復位引腳的電平。。。

Figure 3 74HC245與12864驅動電路

H橋電路太常見，百度出來一抓一大把，都長一個摸樣，區別就像一個人臉上的痘痘都長在做邊，一個人都痘痘兩邊都有（兩個保護管）。哎呀，扯遠，廢話不多說，貼圖說明一切

Figure 3 H橋

至于H橋原理神馬的，maswell我就不在這里多說了。。。不懂就百度吧，實際上學過三極管的，稍微靜下心來分析一個，都可以看得懂的。下面是一個比較器的電路，用的是光電對管發射信號，經黑線反射以后PHOTO上產生一定的電壓值，maswell做電路的時候實測LM358的輸入電壓高達0.6V（哈哈，其實也不高…），右邊的LM358構成一個比較器，VCC為5V電壓，經10K和50歐姆電阻分壓以后LM358的2號引腳的電壓大致為0.5V<0.6V，滿足電路設計要求。后加一個1K電阻保護后級單片機（哈哈，這個電阻方便了我后面的濾波，欲知為何，請聽下回分解~~額，又來三國演義的味道了。）下面說說問題所在吧。

調試的時候發現了一個非常蛋疼的問題。數據總是莫名其妙地顯示200轉/s甚至是1000轉每秒，實際上，我這個電機的轉動速度最大也就110轉每秒，這些個數據顯然都是錯誤的。反復檢查定時器的捕獲程序，檢查了好幾遍，加上有寫了一年的430單片機程序的經驗，對這個G2553的內部寄存器相當熟悉，反復分析，100%確定程序沒有任何問題。那么問題在哪里呢？后來分析了一段代碼

void longToString(volatile unsigned long tempData)

{

char Num,i;

static volatile unsigned long temp;

for(i = 0; i < 16; i++)

ShowData[i] = ' ';

temp = 250000 / tempData;

這個函數是將捕獲到的定時器的脈沖計數值送到12864的一個中間轉換函數，temp顯示的轉速，由于CPU時鐘用的1MHz，電機那里有四個黑帶，所以實際的轉速應該是250000/tempData，得到這個數據后轉換成ASCII碼，再送到12864顯示。問題出現在這里，12864顯示數據1000+，說明temp = 1000+，比實際的數據100+大了10倍。那么也就意味著tempData的數據比實際的真實數據小了10倍，也就是說定時器兩次捕獲時間的間隔比常規的要小很多，為什么會小了那么多倍呢。

思來想去，maswell靈光一閃，哎呀，對了！由于電機的膠布粘貼得不均勻，產生了大量的不均衡噪聲，使得比較器的輸出含有大量的高頻分量，由于噪聲的存在，使得定時器的捕獲時間間隔變小！從而出現了顯示數據偏大的結果。

想到問題所在，那么怎么解決掉呢。查看原理圖，發現運算放大器的輸出端接有一個1K的電阻，哎呀瑪雅，靈感方案突然就來了，做個簡單的RC低通濾波器不久完了？想到方案以后那么電容的值又該怎么選了？maswell在草稿紙上做個簡單的分析，現將草稿紙上的內容mathtype搬到Word上來。

電容的阻抗表達式：

把運放的輸出結果看成一個電壓源，其輸出電壓等于RC濾波網絡的輸入電壓假設其值為：

那么上圖所示的Vout的輸出表達式為

為了方便分析，我們假設Vi為1V，并且不考慮相位問題，取Vout的模可得

輸出表達式與輸入頻率的關系找到了，那么我們的電容值又該怎么設計呢？考慮到我們的光電管經過比較器輸出以后的頻率最大為500Hz，那么我們設計一個-3dB在500Hz左右的濾波器即可。用MATLAB寫個小程序。

R = 1000;

f = 0:0.01:1000;

w = 2*pi*f;

C1 = 0.001 * 10^-6;%%uF

C2 = 0.01 * 10^-6;%% uF

C3 = 0.1 * 10^-6;%% uF

C4 = 1 * 10^-6;%% uF

C5 = 0.3 * 10^-6;%% uF

y1 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C1^2)).^2 + ((w*R*C1)/(1+w.*w*R^2*C1^2)).^2);

y2 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C2^2)).^2 + ((w*R*C2)/(1+w.*w*R^2*C2^2)).^2);

y3 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C3^2)).^2 + ((w*R*C3)/(1+w.*w*R^2*C3^2)).^2);

y4 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C4^2)).^2 + ((w*R*C4)/(1+w.*w*R^2*C4^2)).^2);

y5 = sqrt((1./(1+w.*w*R^2*C5^2)).^2 + ((w*R*C5)/(1+w.*w*R^2*C5^2)).^2);

plot(f,y1,f,y2,f,y3,f,y4,f,y5);

title('RC濾波器設計');

legend('0.001uF','0.01uF','0.1uF','1uF','0.3uF');

xlabel('頻率/Hz');

ylabel('輸出幅頻/V');

Maswell在測試C的時候從1nF開始測試，得到下面的輸出曲線，從圖中我們可以看到，從0Hz到1000Hz，輸出幾乎都是1，不變，1nF的電容不符合我們的設計要求。再加大，測試104電容

104電容即0.1uF，得到的輸出幅頻特性曲線如下，顯然不符合我們的設計要求，500Hz-3dB處還差一點點，再加大10倍，測試1uF

下面這張是1uF的測試圖，顯然-3dB小于500Hz了。也不符合設計要求，經過maswell的反復測試并結合手頭上有額電容容值，選定474電容，得到幅頻特性曲線也較為理想。

敲定電容值以后maswell已經迫不及待把電容焊上去了。焊接完畢以后，長時間觀察，12864沒有再出現200轉/秒或者1000轉/秒的顯示值，也就是說maswell設計的濾波器已經起到效果了！maswell做成以后興奮了一小下。興奮之余，想到既然是高頻噪聲的影響，那么何不看看它的頻譜圖呢，一想到，maswell果斷從科協搬來一臺數字示波器，測試了安裝RC濾波器前的FFT圖形和安裝RC濾波器后的FFT圖形，現貼在這里。從兩個圖中，很明顯地可以看到安裝濾波器前裙子噪聲非常明顯，安裝后，裙子噪聲基本沒有了！！！，看到這里，maswell我又忍不住興奮了一下~

安裝RC濾波器前

安裝RC濾波器后

ID:56034 · 發表于 2013-10-17 16:23

樓主很強大！

ID:63159 · 發表于 2014-6-29 10:13

ID:74314 · 發表于 2015-3-31 17:38

大神，求有關一階ＲＣ濾波器設計相關的資料，我需要的通帶為１０～１００ＨＺ

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