RC濾波器的妙用以及部分調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

ID:50574 · 發(fā)表于 2013-7-7 01:28

前言：最近在調(diào)一個(gè)MSP430單片機(jī)控制電機(jī)并測(cè)速度的電路。整個(gè)電路從設(shè)計(jì)制作到調(diào)試成功，花了將近四天時(shí)間，中間Bug多多，最后解決Bug的時(shí)候自己都忍不住笑自己了——好笨啊！

廢話不多說(shuō)，直接進(jìn)入主題，maswell我最反感的就是水軍論文中的戰(zhàn)斗機(jī)論文都是先扯一大堆廢話，然后才開(kāi)始一堆沒(méi)用的廢話。。。哎呀，又扯廢話了。切入主題吧。

先說(shuō)說(shuō)我這個(gè)系統(tǒng)。下面Figure 1是MSP430主控制部分，用的芯片是MSP430G2553單片機(jī)（11、12號(hào)引腳是反過(guò)來(lái)滴），第一個(gè)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(kāi)發(fā)板連接到我設(shè)計(jì)的板子上的，通過(guò)這幾個(gè)接口利用launchPad即可下載程序，為了方便布線，我打亂了這幾個(gè)接口的順序。PWM1和PWM2接口是連接到H橋的兩個(gè)接口，這里使用了G2553的定時(shí)器A1產(chǎn)生PWM。CAP_P12是光電對(duì)管連接到比較強(qiáng)后輸入到單片機(jī)的一個(gè)捕獲接口，因?yàn)檫@里可以用定時(shí)器A0的捕獲接口，使用定時(shí)器的捕獲功能，可以使得程序設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。整個(gè)系統(tǒng)利用了兩個(gè)定時(shí)器，并結(jié)合中斷，使得整個(gè)系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，功耗可以做得比較低（但由于電機(jī)和12864的存在，這里的低功耗程序設(shè)計(jì)顯得毫無(wú)意義額。。。）。另外還有一個(gè)12864的串行外部接口（SPI）三根線。

Figure 1 MSP430G2553主控制部分

Figure2 maswell的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

再放一個(gè)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(gè)245芯片來(lái)轉(zhuǎn)換電平電壓（CS和SCLK的順序反了，后來(lái)布線的時(shí)候改的）。初學(xué)者往往會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，就是為什么我的12864的滑動(dòng)變阻器調(diào)了，12864的亮度都不變呢，maswell我在這里只提一點(diǎn)：注意你的復(fù)位引腳的電平。。。

Figure 3 74HC245與12864驅(qū)動(dòng)電路

H橋電路太常見(jiàn)，百度出來(lái)一抓一大把，都長(zhǎng)一個(gè)摸樣，區(qū)別就像一個(gè)人臉上的痘痘都長(zhǎng)在做邊，一個(gè)人都痘痘兩邊都有（兩個(gè)保護(hù)管）。哎呀，扯遠(yuǎn)，廢話不多說(shuō)，貼圖說(shuō)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(shuō)了。。。不懂就百度吧，實(shí)際上學(xué)過(guò)三極管的，稍微靜下心來(lái)分析一個(gè)，都可以看得懂的。下面是一個(gè)比較器的電路，用的是光電對(duì)管發(fā)射信號(hào)，經(jīng)黑線反射以后PHOTO上產(chǎn)生一定的電壓值，maswell做電路的時(shí)候?qū)崪y(cè)LM358的輸入電壓高達(dá)0.6V（哈哈，其實(shí)也不高…），右邊的LM358構(gòu)成一個(gè)比較器，VCC為5V電壓，經(jīng)10K和50歐姆電阻分壓以后LM358的2號(hào)引腳的電壓大致為0.5V<0.6V，滿足電路設(shè)計(jì)要求。后加一個(gè)1K電阻保護(hù)后級(jí)單片機(jī)（哈哈，這個(gè)電阻方便了我后面的濾波，欲知為何，請(qǐng)聽(tīng)下回分解~~額，又來(lái)三國(guó)演義的味道了。）下面說(shuō)說(shuō)問(wèn)題所在吧。

調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常蛋疼的問(wèn)題。數(shù)據(jù)總是莫名其妙地顯示200轉(zhuǎn)/s甚至是1000轉(zhuǎn)每秒，實(shí)際上，我這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度最大也就110轉(zhuǎn)每秒，這些個(gè)數(shù)據(jù)顯然都是錯(cuò)誤的。反復(fù)檢查定時(shí)器的捕獲程序，檢查了好幾遍，加上有寫(xiě)了一年的430單片機(jī)程序的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這個(gè)G2553的內(nèi)部寄存器相當(dāng)熟悉，反復(fù)分析，100%確定程序沒(méi)有任何問(wèn)題。那么問(wèn)題在哪里呢？后來(lái)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(gè)函數(shù)是將捕獲到的定時(shí)器的脈沖計(jì)數(shù)值送到12864的一個(gè)中間轉(zhuǎn)換函數(shù)，temp顯示的轉(zhuǎn)速，由于CPU時(shí)鐘用的1MHz，電機(jī)那里有四個(gè)黑帶，所以實(shí)際的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是250000/tempData，得到這個(gè)數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換成ASCII碼，再送到12864顯示。問(wèn)題出現(xiàn)在這里，12864顯示數(shù)據(jù)1000+，說(shuō)明temp = 1000+，比實(shí)際的數(shù)據(jù)100+大了10倍。那么也就意味著tempData的數(shù)據(jù)比實(shí)際的真實(shí)數(shù)據(jù)小了10倍，也就是說(shuō)定時(shí)器兩次捕獲時(shí)間的間隔比常規(guī)的要小很多，為什么會(huì)小了那么多倍呢。

思來(lái)想去，maswell靈光一閃，哎呀，對(duì)了！由于電機(jī)的膠布粘貼得不均勻，產(chǎn)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(shí)器的捕獲時(shí)間間隔變小！從而出現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)偏大的結(jié)果。

想到問(wèn)題所在，那么怎么解決掉呢。查看原理圖，發(fā)現(xiàn)運(yùn)算放大器的輸出端接有一個(gè)1K的電阻，哎呀瑪雅，靈感方案突然就來(lái)了，做個(gè)簡(jiǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的分析，現(xiàn)將草稿紙上的內(nèi)容mathtype搬到Word上來(lái)。

電容的阻抗表達(dá)式：

把運(yùn)放的輸出結(jié)果看成一個(gè)電壓源，其輸出電壓等于RC濾波網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓假設(shè)其值為：

那么上圖所示的Vout的輸出表達(dá)式為

為了方便分析，我們假設(shè)Vi為1V，并且不考慮相位問(wèn)題，取Vout的模可得

輸出表達(dá)式與輸入頻率的關(guān)系找到了，那么我們的電容值又該怎么設(shè)計(jì)呢？考慮到我們的光電管經(jīng)過(guò)比較器輸出以后的頻率最大為500Hz，那么我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)-3dB在500Hz左右的濾波器即可。用MATLAB寫(xiě)個(gè)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(shè)計(jì)');

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

xlabel('頻率/Hz');

ylabel('輸出幅頻/V');

Maswell在測(cè)試C的時(shí)候從1nF開(kāi)始測(cè)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(shè)計(jì)要求。再加大，測(cè)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(shè)計(jì)要求，500Hz-3dB處還差一點(diǎn)點(diǎn)，再加大10倍，測(cè)試1uF

下面這張是1uF的測(cè)試圖，顯然-3dB小于500Hz了。也不符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)maswell的反復(fù)測(cè)試并結(jié)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(jīng)迫不及待把電容焊上去了。焊接完畢以后，長(zhǎng)時(shí)間觀察，12864沒(méi)有再出現(xiàn)200轉(zhuǎn)/秒或者1000轉(zhuǎn)/秒的顯示值，也就是說(shuō)maswell設(shè)計(jì)的濾波器已經(jīng)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(xié)搬來(lái)一臺(tái)數(shù)字示波器，測(cè)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(xiàn)貼在這里。從兩個(gè)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(méi)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(fā)表于 2013-10-17 16:23

樓主很強(qiáng)大！

ID:63159 · 發(fā)表于 2014-6-29 10:13

ID:74314 · 發(fā)表于 2015-3-31 17:38

大神，求有關(guān)一階ＲＣ濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)的資料，我需要的通帶為１０～１００ＨＺ

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RC濾波器的妙用以及部分調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

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