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RC滤波器的妙用以及部分调试经验 前言：最近在调一个MSP430单片机控制电机并测速度的电路。整个电路从设计制作到调试成功，花了将近四天时间，中间Bug多多，最后解决Bug的时候自己都忍不住笑自己了——好笨啊！ 废话不多说，直接进入主题，maswell我最反感的就是水军论文中的战斗机论文都是先扯一大堆废话，然后才开始一堆没用的废话。。。哎呀，又扯废话了。切入主题吧。 先说说我这个系统。下面Figure 1是MSP430主控制部分，用的芯片是MSP430G2553单片机（11、12号引脚是反过来滴），第一个是Pro Download接口，顾名思义，就是程序下载口，我用的MSP430G系列的launchPad开发板连接到我设计的板子上的，通过这几个接口利用launchPad即可下载程序，为了方便布线，我打乱了这几个接口的顺序。PWM1和PWM2接口是连接到H桥的两个接口，这里使用了G2553的定时器A1产生PWM。CAP_P12是光电对管连接到比较强后输入到单片机的一个捕获接口，因为这里可以用定时器A0的捕获接口，使用定时器的捕获功能，可以使得程序设计更为简单。整个系统利用了两个定时器，并结合中断，使得整个系统都处于休眠状态，功耗可以做得比较低（但由于电机和12864的存在，这里的低功耗程序设计显得毫无意义额。。。）。另外还有一个12864的串行外部接口（SPI）三根线。 | Figure 1 MSP430G2553主控制部分 |
Figure2 maswell的实验设备 再放一个三线控制13864的图。由于MSP430x2xx系列是3.3V的器件，这里用到了一个245芯片来转换电平电压（CS和SCLK的顺序反了，后来布线的时候改的）。初学者往往会遇到一个问题，就是为什么我的12864的滑动变阻器调了，12864的亮度都不变呢，maswell我在这里只提一点：注意你的复位引脚的电平。。。 | Figure 3 74HC245与12864驱动电路 |
H桥电路太常见，百度出来一抓一大把，都长一个摸样，区别就像一个人脸上的痘痘都长在做边，一个人都痘痘两边都有（两个保护管）。哎呀，扯远，废话不多说，贴图说明一切 至于H桥原理神马的，maswell我就不在这里多说了。。。不懂就百度吧，实际上学过三极管的，稍微静下心来分析一个，都可以看得懂的。下面是一个比较器的电路，用的是光电对管发射信号，经黑线反射以后PHOTO上产生一定的电压值，maswell做电路的时候实测LM358的输入电压高达0.6V（哈哈，其实也不高…），右边的LM358构成一个比较器，VCC为5V电压，经10K和50欧姆电阻分压以后LM358的2号引脚的电压大致为0.5V<0.6V，满足电路设计要求。后加一个1K电阻保护后级单片机（哈哈，这个电阻方便了我后面的滤波，欲知为何，请听下回分解~~额，又来三国演义的味道了。）下面说说问题所在吧。
调试的时候发现了一个非常蛋疼的问题。数据总是莫名其妙地显示200转/s甚至是1000转每秒，实际上，我这个电机的转动速度最大也就110转每秒，这些个数据显然都是错误的。反复检查定时器的捕获程序，检查了好几遍，加上有写了一年的430单片机程序的经验，对这个G2553的内部寄存器相当熟悉，反复分析，100%确定程序没有任何问题。那么问题在哪里呢？后来分析了一段代码
| 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; |
这个函数是将捕获到的定时器的脉冲计数值送到12864的一个中间转换函数，temp显示的转速，由于CPU时钟用的1MHz，电机那里有四个黑带，所以实际的转速应该是250000/tempData，得到这个数据后转换成ASCII码，再送到12864显示。问题出现在这里，12864显示数据1000+，说明temp = 1000+，比实际的数据100+大了10倍。那么也就意味着tempData的数据比实际的真实数据小了10倍，也就是说定时器两次捕获时间的间隔比常规的要小很多，为什么会小了那么多倍呢。 思来想去，maswell**一闪，哎呀，对了！由于电机的胶布粘贴得不均匀，产生了大量的不均衡噪声，使得比较器的输出含有大量的高频分量，由于噪声的存在，使得定时器的捕获时间间隔变小！从而出现了显示数据偏大的结果。 想到问题所在，那么怎么解决掉呢。查看原理图，发现运算放大器的输出端接有一个1K的电阻，哎呀玛雅，灵感方案突然就来了，做个简单的RC低通滤波器不久完了？想到方案以后那么电容的值又该怎么选了？maswell在草稿纸上做个简单的分析，现将草稿纸上的内容mathtype搬到Word上来。 电容的阻抗表达式： file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.png 把运放的输出结果看成一个电压源，其输出电压等于RC滤波网络的输入电压假设其值为：
那么上图所示的Vout的输出表达式为
为了方便分析，我们假设Vi为1V，并且不考虑相位问题，取Vout的模可得
输出表达式与输入频率的关系找到了，那么我们的电容值又该怎么设计呢？考虑到我们的光电管经过比较器输出以后的频率最大为500Hz，那么我们设计一个-3dB在500Hz左右的滤波器即可。用MATLAB写个小程序。 | 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滤波器设计'); legend('0.001uF','0.01uF','0.1uF','1uF','0.3uF'); xlabel('频率/Hz'); ylabel('输出幅频/V');
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Maswell在测试C的时候从1nF开始测试，得到下面的输出曲线，从图中我们可以看到，从0Hz到1000Hz，输出几乎都是1，不变，1nF的电容不符合我们的设计要求。再加大，测试104电容 104电容即0.1uF，得到的输出幅频特性曲线如下，显然不符合我们的设计要求，500Hz-3dB处还差一点点，再加大10倍，测试1uF 下面这张是1uF的测试图，显然-3dB小于500Hz了。也不符合设计要求，经过maswell的反复测试并结合手头上有额电容容值，选定474电容，得到幅频特性曲线也较为理想。 敲定电容值以后maswell已经迫不及待把电容焊上去了。焊接完毕以后，长时间观察，12864没有再出现200转/秒或者1000转/秒的显示值，也就是说maswell设计的滤波器已经起到效果了！maswell做成以后兴奋了一小下。兴奋之余，想到既然是高频噪声的影响，那么何不看看它的频谱图呢，一想到，maswell果断从科协搬来一台数字示波器，测试了安装RC滤波器前的FFT图形和安装RC滤波器后的FFT图形，现贴在这里。从两个图中，很明显地可以看到安装滤波器前裙子噪声非常明显，安装后，裙子噪声基本没有了！！！，看到这里，maswell我又忍不住兴奋了一下~
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