这是RC低通滤波器的应用。电路板上常见的机械接触式按键,在按下或者松开的过程中,常常会产生不稳定的信号,如下图所示,杂波过程一般持续10ms-20ms,毛刺的频率一般超过10KHz。下图是一款机械自锁按键开关瞬间产生的杂波
为了过滤掉杂波,可以通过单片机程序滤波或者通过硬件滤波电路进行滤波。单片机程序滤波的基本原理是:单片机检测到低电平后,延时若干毫秒,再检测一次,如果还是低电平,则确定是按键按下。一般情况下,为了给单片机一个确定的,干净的信号,往往采用单片机程序滤波与硬件滤波电路结合的方式进行滤波,其中硬件滤波电路常用RC滤波电路。
设计一个按键滤波电路如下图,滤除按键在开关瞬间产生的杂波。
在此电路中需要保留的信号频率极低,假设1秒钟开关状态切换一次,则频率只有0.5Hz;需要滤除的噪声频率大于10KHz。一般来说,需要被抑制的频率至少是截止频率两倍。令
得
电阻与电容的取值范围非常大。但是如果电阻与电容的乘积太大,会导致充放电时间变得很长。取电阻为100KΩ,电容为100nF(大电容价格很贵,实际应用中考虑成本,应尽可能选择小电容大电阻),可以算出截止频率是15.915Hz,时间常数为10ms。在10ms内电压可以上升或下降63%,对于机械按键来说,速度是足够的。
然后结合分压电路来分析RC滤波电路对于信号与噪声各自的影响。对于频率为0.5Hz的信号,电容的容抗为3.183MΩ,输出信号占输入信号的比例为3.183MΩ/(3.183MΩ+0.1MΩ)=97%,几乎没有影响;对于频率为10KHz的噪声,电容的容抗为15.9Ω,噪声占输入信号的比例为15.9/(15.9+100000)=0.2%,几乎全部滤除。
通常滤波器会提供一个频率与响应的关系图,从图中可以很容易找到某个对于某个频率,功率减小多少dB。例如下图15.9Hz大约对应-3dB。
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