滤波器实现（滤波器实现信号分离）

本文目录一览：

• 1、怎么实现单电源滤波器
• 2、滤波在数学上是如何实现的
• 3、数字滤波器可以实现什么常用的功能，和模拟滤波器的区别在哪儿？
• 4、滤波方法及python实现
• 5、陷波滤波器的工作原理以及电路如何实现

怎么实现单电源滤波器

具体方法是采用两个等值电阻分压，获得单电源的中间电位，配唯再在其后连接一个有运算放大器构成的跟随器，跟随器的输出作为滤波器运放的参考点。也就是说，原先的双电源电路的负电源接单电源的地，原先接地的就改为接参考点。

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，又名“余凯电源EMI滤波器”，或是“EMI电源滤波器”，一种无源双向网络，一端是电源培毁培，另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络：电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

滤波在数学上是如何实现的

在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。

采用数字滤波算法克服随机干扰的误差具有以下优点：

1、数字滤波无需其他的硬件成本，只用一个计算过程，可靠性高，不存在阻抗匹配问题。尤其是数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。

2、数字滤波使用软件算法实现，多输入通道可共用一个滤波程序，降低系统开支。

3、只要适当改变滤波器的滤波程序或运算，就能方便地改变其滤波特性，这对于滤除低频干扰和随机信号会有较大的效果。

4、在单片机系统中常用的滤波算法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

(1)限幅滤波算法

该运算的过程中将两次相邻的采样相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定，如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效;否则取上次采样值作为本次数据的样本。

算法的程序代码如下：

#defineA //允许的最大差值

chardata; //上一次的数据

char filter()

{

chardatanew; //新数据变量

datanew=get_data(); //获得新数据变量

if((datanew-data)A||(data-datanewA))

return data;

else

returndatanew;

}

说明：限幅滤波法主要用于处理变化较为缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时，关键要选取合适的门限制A。通常这可由经验数据获得，必要时可通过实验得到。

(2)中值滤波算法

该运算的过程是对某一参数连续采样N次(N一般为奇数)，然后把N次采样的值按从小到大排列，再取中间值作为本次采样值，整个过程实际上是一个序列排序的过程。

算法的程序代码如下：

#define N11 //定义获得的数据个数

char filter()

{

charvalue_buff[N]; //定义存储数据的数组

char count,i,j,temp;

for(count=0;count

{

value_buf[count]=get_data();

delay(); //如果采集数据比较慢，那么就需要延时或中断

}

for(j=0;j

{

for(value_buff[i]value_buff[i+1]

{

temp=value_buff[i];

value_buff[i]=value_buff[i+1];

value_buff[i+1]=temp;

}

}

returnvalue_buff[(N-1)/2];

}

说明：中值滤波比较适用于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量值变化比较慢，采用中值滤波法效果会比较好，但如果数据变化比较快，则不宜采用此方法。

(3)算术平均滤波算法

该算法的基本原理很简单，就是连续取N次采样值后进行算术平均。

算法的程序代码如下：

char filter()

{

int sum=0;

for(count=0;count

{

sum+=get_data();

delay():

}

return (char)(sum/N);

}

说明：算术平均滤波算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近上下波动。信号的平均平滑程度完全到决于N值。当N较大时，平滑度高，灵敏度低;当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。为了方便求平均值，N一般取4、8、16、32之类的2的整数幂，以便在程序中用移位操作来代替除法。

(4)加权平均滤波算法

由于前面所说的“算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系，可采用加权平均滤波。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数，且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。其中加权平均数字滤波的数学模型是：

式中：D为N个采样值的加权平均值：XN-i为第N-i次采样值;N为采样次数;Ci为加权系数。加权系数Ci体现了各种采样值在平均值中所占的比例。一般来说采样次数越靠后，取的比例越大，这样可增加新采样在平均值中所占的比重。加权平均值滤波法可突出一部分信号抵制另一部分信号，以提高采样值变化的灵敏度。

样例程序代码如下：

char codejq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; //code数组为加权系数表，存在程序存储区

char codesum_jq=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;

char filter()

{

char count;

char value_buff[N];

int sum=0;

for(count=0;count

{

value_buff[count]=get_data();

delay();

}

for(count=0;count

sum+=value_buff[count]*jq[count];

return(char)(sum/sum_jq);

}

(5)滑动平均滤波算法

以上介绍和各种平均滤波算法有一个共同点，即每获取一个有效采样值必须连续进行若干次采样，当采速度慢时，系统的实时得不到保证。这里介绍的滑动平均滤波算法只采样一次，将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。如果取N个采样值求平均，存储区中必须开辟N个数据的暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区中，同时去掉一个最老数据，保存这N个数据始终是最新更新的数据。采用环型队列结构可以方便地实现这种数据存放方式。

程序代码如下：

char value_buff[N];

char i=0;

char filter()

{

char count;

int sum=0;

value_buff[i++]=get_data();

if(i==N)

i=0;

for(count=0;count

sum=value_buff[count];

return (char)(sum/N);

}

(6)低通滤波

将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表求，变可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能，经推导，低通滤波算法如下：

Yn=a* Xn+(1-a) *Yn-1

式中 Xn——本次采样值

Yn-1——上次的滤波输出值;

，a——滤波系数，其值通常远小于1;

Yn——本次滤波的输出值。

由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值(注意不是上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的)，本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的，但多少有些修正作用，这种算法便模拟了具体有教大惯性的低通滤波器功能。滤波算法的截止频率可用以下式计算：

fL=a/2Pit pi为圆周率3.14…

式中 a——滤波系数;

， t——采样间隔时间;

例如：当t=0.5s(即每秒2次)，a=1/32时;

fL=(1/32)/(2*3.14*0.5)=0.01Hz

当目标参数为变化很慢的物理量时，这是很有效的。另外一方面，它不能滤除高于1/2采样频率的干搅信号，本例中采样频率为2Hz，故对1Hz以上的干搅信号应采用其他方式滤除，

低通滤波算法程序于加权平均滤波相似，但加权系数只有两个：a和1-a。为计算方便，a取一整数，1-a用256-a，来代替，计算结果舍去最低字节即可，因为只有两项，a和1-a，均以立即数的形式编入程序中，不另外设表格。虽然采样值为单元字节(8位A/D)。为保证运算精度，滤波输出值用双字节表示，其中一个字节整数，一字节小数，否则有可能因为每次舍去尾数而使输出不会变化。

设Yn-1存放在30H(整数)和31H(小数)两单元中，Yn存放在32H(整数)和33H(小数)中。滤波程序如下：

虽千万里，吾往矣。

数字滤波器可以实现什么常用的功能，和模拟滤波器的区别在哪儿？

滤波器就是频率选择器，选出需要的频率成分，把不需要的频率成分去掉。描述频率成分的应是频率空间，即对原始信号作傅里叶变换的频谱空间，在频谱空间上让那些需要的频率成分乘以1，就保留了，不需要的频率成分乘以0，就滤除了。数字滤波器正是根据以上原理，在频域里设计好滤波器的传递函数，与原始信号的傅里叶变换相乘，再反傅里叶变换回举亩返去就可以了。当然，也可以把传递函数作反傅里叶变换，得到时域（一维信号）或空域（二维信号）的模板，用模板对原始信号卷积就可以了。

数字滤波器利用了当前点前后的数据，滤波器模板是对称的，因而不会有相移，模拟滤波器由于对于当前点，只有过去的信号可以利用，将来的信号未知，即模拟滤波器不是对称的滤波器，因而必定存在相移。数字滤波器很容易用逻辑耐没器件、可编程器件实现，而模拟滤波器不能只用逻辑器件实现，一般需要电阻、电容和电感的组合电路实现。

数字滤波器的滤波速度相对比较慢，模拟滤波器滤波速度非常快，因为对于电路来说，信号输入后几乎不用延正饥时就有信号输出了

希望能帮到你。

滤波方法及python实现

对滤波的 总结 ： 对特定频率进行有效提取，并对提取部分进行特定的处理（增益，衰减，滤除）的动作被叫做滤波。

最常用的滤波器类型有三种： 通过式（Pass），搁架式（Shelving）和参量式（Parametric）。 滤波器都有一个叫 参考频率（Reference Frequency）的东西 ，在不同类型的滤波器中，具体的叫法会有所不同。

通过式滤波器可以让参考频率一余卜侧的频率成分完全通过该滤波器，同时对另一侧的频率成分做线性的衰减，就是，一边让通过，一边逐渐被滤除。在信号学中，通过的区域被称为通带，滤除的区域被叫做阻带，在通过式滤波器中，参考频率通常被称为截止频率。

高通滤波器（high-pass filters）：让截止频率后的高频区域通过，另一侧滤除，低通滤波器（low-pass filters）：让截止频率前的低频区域通过，另一侧滤除，通

以下是高通滤波器与低通滤波器的核心参数：

截止频率（Cut-off frequency） ：决定了通带（通过的频率部分）与阻带（阻止的频率部分）的分界曲线，截止频率的位置并非是在曲线开始弯曲的那个点，而是在-3dB的位置。以图2左侧的高通滤波器为例，截止频率点之上的部分频率并没有全部被通过，而是有个曲线，在曲线回归平直后其频率才被完全通过。至于为什么要将-3dB的位置设为截止频率，是因为-3dB对氏慧于滤波器的设计而言是个非常重要的位置，如果设为其他位置，则会让通过式滤波器的设计变得尤为复杂。

斜率（Slope） ：表示的是通带与阻带的分界曲线的倾斜程度，也就是说斜率决定了分界曲线是偏向平缓的，还是偏向垂直的，斜率越大（更陡峭），人工处理的痕迹就越明显。斜率的单位为dB/oct，中文称为分贝每倍频程。虽然绕口，但其实很简单，如6dB/oct，意思为一个倍频程的距离会产生6dB的衰减，数字滤波器常见的斜率选择有6dB/oct，12dB/oct，18dB/oct，24dB/oct，30dB/oct等等（图3）。

scipy.signal.filtfilt(b, a, x, axis=-1, padtype='odd', padlen=None, method='pad', irlen=None)

scipy.signal.butter(N, Wn, btype='low', analog=False, output='ba')

这里假设采样频率为1000hz,信号本身最大的频率为500hz，歼毁答要滤除10hz以下和400hz以上频率成分，即截至频率为10hz和400hz,则wn1=2*10/1000=0.02,wn2=2*400/1000=0.8。Wn=[0.02,0.8]

陷波滤波器的工作原理以及电路如何实现

只滤除或衰减特定的频率时，可使用陷波滤波器，例如用它滤除电源频率引起的交流声、滤除基波后测量波形失真率等。采用双T电路时，如果采用大的Q值，无用的频率附近的信号也会跟着衰减，因此陷波器的Q值要求可变。

双T电路由3个电阻、3个电容组成，基本上是双对称型的。单个无源滤波元件其衰减特性Q=0.25，具有很好的宽频响应特性。

参数确定：R2=R3，C1=C2，R4=R2/2，C2=2C1，FO=1/2πR2.C1，在衰减极点处谐振。如果偏离以上条件就不能获得最大衰减量，同时须注意各种元件的误差。 OP放大器A1~A3均起缓冲放大器的作用，A2用来加正反馈，以改变阻抗，反馈量由R5和R6的分压值蔽誉确定。无反馈时的Q为0.25，毕灶如果设反馈的Q为Q’。

扩展资料：

电阻可采用误差为±1%的金属膜电阻。确定了所需的Q值之后，如果不再需要调整，最好去掉VR1，因为即使加了VR1，一边观察频率特性，一边调整也是相当困难的宏数段。

C1~C3用聚酯薄膜电容，最好选用误差为±1%以内的产品，不过也可以从误差±5%的元件中挑选，再用电阻值微调。

应用说明为了与50HZ、60HZ电源频率相对应，可以更换双T电路，或者把本电路的陷波滤波器作成50HZ和60HZ两级串联。如果使用频率限制滤波器测量失真时，可进行3级串联调谐设计，使之具有中心频率±1%的衰减带宽。

当带阻滤波器的阻带很窄时， 被称为陷波滤波器 ， 又称点阻滤波器。一个理想点阻滤波器的频率响应是要在消除的信号频率点， 其值等于零；而在其他频率处， 其值不为零， 且要等于1。

参考资料来源：百度百科--陷波滤波器

关键词：滤波器的 滤波器实现 模拟滤波器 电容 等值电阻 EMI电源滤波器 电源EMI滤波器 滤波器运放 电源滤波器 电阻