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[滤波] 数字滤波的优点及10种常用数字滤波方法比较

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发表于 2018-5-11 16:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  在微机控制系统的模拟输入信号中,一般均含有各种噪声和干扰,他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制,必须消除被测信号中的噪声和干扰。

  噪声有2大类:
  (1) 周期性的信号,其典型代表为50Hz的工频干扰,对于这类信号,采用积分时间等于20ms整倍数的双积分A/D转换器,可有效地消除其影响;

  (2) 非周期的不规则随机信号,对于随机干扰,可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。

  所谓数字滤波,就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重,因此他实际上是一个程序滤波。数字滤波器克服了模拟滤波器的许多不足,他与模拟滤波器相比有以下优点:

  (1) 数字滤波器是用软件实现的,不需要增加硬设备,因而可靠性高、稳定性好,不存在阻抗匹配问题。

  (2) 模拟滤波器通常是各通道专用,而数字滤波器则可多通道共享,从而降低了成本。

  (3) 数字滤波器可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波,而模拟滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。

  (4) 数字滤波器可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,具有灵活、方便、功能强的特点。

  10种数字滤波方法
       1、限副滤波
  方法:根据经验判断,确定两次采样允许的最大偏差值(设为A),每次检测到新值时判断:如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效。如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值

  优点:能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。

  缺点:无法抑制那种周期性的干扰,平滑度差。

  2、中位值滤波法
  方法:连续采样N次(N取奇数),把N次采样值按大小排列,取中间值为本次有效值。

  优点:能有效克服因偶然因素引起的波动干扰,对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。

  缺点:对流量、速度等快速变化的参数不宜。

  3、算术平均滤波法
  方法:连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低;N值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高。N值的选取:一般流量,N=12;压力:N=4

  优点:适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波,这样信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值范围附近上下波动。

  缺点:对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用,比较浪费RAM。

  4、递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)
  方法:把连续取N个采样值看成一个队列,队列的长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则),把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取:流量,N=12;压力:N=4;液面,N=4~12;温度,N=1~4

  5、中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)
  方法:相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。连续采样N个数据,去掉一个最大值和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值。N值的选取:3~14

  优点:融合了两种滤波法的优点,对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

  缺点:测量速度较慢,和算术平均滤波法一样,比较浪费RAM。

  6、限幅平均滤波法
  方法:相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”,每次采样到的新数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理。

  优点:融合了两种滤波法的优点,对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

  缺点:比较浪费RAM。

  7、一阶滞后滤波法
  方法:取a=0~1,本次滤波结果=(1-a)*本次采样值+a*上次滤波结果。

  优点:对周期性干扰具有良好的抑制作用,适用于波动频率较高的场合。

  缺点: 相位滞后,灵敏度低,滞后程度取决于a值大小,不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号。

  8、加权递推平均滤波法
  方法:是对递推平均滤波法的改进,即不同时刻的数据加以不同的权。通常是,越接近现时刻的数据,权取得越大。给予新采样值的权系数越大,则灵敏度越高,但信号平滑度越低。

  优点:适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。

  缺点:对于纯滞后时间常数较小,采样周期较长,变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度,滤波效果差。

  9、消抖滤波法
  方法:设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较:如果采样值=当前有效值,则计数器清零如果采样值<>当前有效值,则计数器+1,并判断计数器是否>=上限N(溢出),如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器 。

  优点:对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。

  缺点:对于快速变化的参数不宜,如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统。

  10、限幅消抖滤波法
  方法:相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法” 先限幅,后消抖。

  优点: 继承了“限幅”和“消抖”的优点改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统。

  缺点:对于快速变化的参数不宜。

  本文摘录自百度文库《数字滤波常用方法》。

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