課程設(shè)計(jì)----多功能濾波器設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2011年6月25日</p><p><b>　　目　錄</b></p><p>　　1.虛擬儀器的相關(guān)簡(jiǎn)介1</p><p>　　2.方案設(shè)計(jì)原理1</p><p>　　2.1虛擬儀器的工作原理1</p><

2、;p>　　2.2幾種基本類型的濾波器類型介紹2</p><p>　　2.3數(shù)字濾波器2</p><p>　　2.4濾波器的分類2</p><p>　　3.濾波器方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4</p><p>　　4.調(diào)試過程及結(jié)果5</p><p>　　4.1低通濾波器5</p><p>　

3、　4.2高通濾波器7</p><p>　　5.其他類型濾波器8</p><p><b>　　6.總結(jié)8</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p>　　1.虛擬儀器的相關(guān)介紹</p><p>　　傳統(tǒng)儀器一般是一臺(tái)獨(dú)立的裝置，從外觀上看，它

4、是一般由操作面板、信號(hào)輸入端口、檢測(cè)結(jié)果輸出這幾個(gè)部分組成。操作面板上一般有一些開關(guān)、按鈕、旋鈕等。檢測(cè)結(jié)果的輸出方式有數(shù)字顯示、指針式表頭顯示、圖形顯示及打印輸出等。而所謂的虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用

5、戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的用戶需求。如果在計(jì)算機(jī)內(nèi)插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中了。而軟件就成為了虛擬儀器的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國(guó)NI公司“軟件就是儀器”一說的來歷。影響最大的虛擬儀器編程語言是美國(guó)NI公司的LABVIEW設(shè)計(jì)即要用到LABVIEW。</p><p><b>

6、;　　2.方案設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　2.1常虛擬儀器的工作原理</p><p>　　虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)試能力結(jié)合起來。與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)三大功，實(shí)現(xiàn)了儀器功能的運(yùn)作。虛擬儀器的功能模塊如圖 1 所示。</p><p>　　圖1 虛擬儀器功能框圖</p

7、><p>　　虛擬儀器用各種圖標(biāo)或控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。由各種開關(guān)圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標(biāo)來設(shè)置被測(cè)信號(hào)的“放大倍數(shù)”、“通道”等參數(shù)；由各種顯示控件以數(shù)值或波形的方式顯示測(cè)量或分析結(jié)果；由計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)和鍵盤操作來模擬傳統(tǒng)儀器面板上的實(shí)際操作；以對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析功能。</p><p>　　2.2方案論證幾種基本的濾波器類型介紹&l

8、t;/p><p>　　所謂濾波器，就是使有用信號(hào)頻率能比較順利地通過，而將無用或有害的信號(hào)濾掉，或讓它們受到較大的衰減。按工作頻率的范圍，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。低通濾波器只有低頻信號(hào)能通過而高頻信號(hào)不能通過；高通濾波器只有高頻信號(hào)能通過而低頻信號(hào)不能通過；帶通濾波器只有某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)能通過，而在此之外的其他頻率的信號(hào)不能通過；帶阻濾波器只會(huì)阻礙某一個(gè)頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，頻帶

9、以外的信號(hào)不會(huì)受到影響。</p><p><b>　　2.3數(shù)字濾波器</b></p><p>　　濾波器可分為三類：模擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器（AF）可以是由RLC構(gòu)成的無源濾波器，也可以是加上運(yùn)放的有源濾波器，它們是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。采樣濾波器（SF）由電阻、電容、電荷轉(zhuǎn)移器件、運(yùn)放等組成，屬于離散時(shí)間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。開關(guān)電容濾波器、電荷耦合

10、濾波器軍屬這類濾波器。數(shù)字濾波器（DF）由加法器、乘法器、存儲(chǔ)延遲單元、時(shí)鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構(gòu)成。它精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，可以時(shí)分復(fù)用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務(wù)。其缺點(diǎn)是需要抽樣、量化、編碼，以及受時(shí)鐘頻率所限，所能處理的信號(hào)最高頻率還不夠高。另外，由于有限字長(zhǎng)效應(yīng)會(huì)造成域設(shè)計(jì)值的頻率偏差、量化和運(yùn)算噪聲及極限環(huán)振蕩。此次我們要求設(shè)計(jì)的就是數(shù)字濾波器。</p><p>

11、;<b>　　2.4濾波器的分類</b></p><p>　　從各種不同角度對(duì)數(shù)字濾波器分類：</p><p>　　1）按沖激響應(yīng)h(n)的長(zhǎng)度分類</p><p>　　分為有限沖激響應(yīng)（FIR）DF和無限沖激響應(yīng)（IIR）DF兩種。沖激響應(yīng)本來是用于模擬系統(tǒng)，指系統(tǒng)對(duì)沖激函數(shù)δ（t）的響應(yīng)。發(fā)展到數(shù)字濾波器后，工程上仍沿用這個(gè)名稱，與單位抽樣

12、響應(yīng)和單位脈沖響應(yīng)的說法通用。</p><p>　　IIR DF和FIR DF在特性、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、運(yùn)用場(chǎng)合等方面均不相同，要根據(jù)實(shí)際情況而定。</p><p>　　2）按有無遞歸結(jié)構(gòu)分類 </p><p>　　分為遞歸型和非遞歸型。遞歸表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)反饋回路。即將某些輸出量反饋到原輸入點(diǎn)與原輸入量相加。一般來說，IIR DFH(z)有分母，須用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)

13、現(xiàn)；FIR DF的H(z)無分母，用非遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是FIR DF也可以用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，比如H(z)=1+z-1+z-2+z-3可以改寫然后用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。因此，盡管IIR、FFR與遞歸非遞歸有著密切的關(guān)系，但它們畢竟是從不同的角度看問題，在概念上不能混為一談。</p><p><b>　　3）按頻域特點(diǎn)分 </b></p><p>　　分為低通濾波器（LP

14、DF）、高通濾波器(HP DF)、帶通濾波器（BP DF）和帶阻濾波器（BS DF）四種。</p><p>　　這里要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是：數(shù)字濾波器的頻響是周期的,其重復(fù)周期是采樣頻率f,或者數(shù)字頻率2π，且在每一周期內(nèi)，幅頻特性具有對(duì)稱性。比如采樣頻率f=8000Hz,數(shù)字帶通的通帶是300～3400Hz，那么它的重復(fù)周期為8000Hz，由對(duì)稱性可知4600～7700Hz也是通帶，由周期性可知8300～11400

15、Hz也是通帶，等等。因此，如果你想從0～20kHz的信號(hào)中慮出1～4kHz的頻率成分，那么在0～20kHz的頻率范圍內(nèi)，帶通濾波器應(yīng)該只有1～4kHz的通帶。因?yàn)轭l響的周期為采樣頻率f所以在f內(nèi)與1～4kHz相對(duì)稱的通帶f-4kHz～f-1kHz必須在20kHz的頻率之外，應(yīng)有f-4kHz>20kHz即f>24kHz.</p><p>　　此時(shí)帶通濾波器的通帶范圍為1～4kHz，20～23kHz，25

16、～28kHz，……從而保證了在0～20 kHz的頻率范圍內(nèi)，只有1～4kHz的頻率成分可以通過該濾波器。</p><p>　　因此，所謂低通、高通、，帶通、帶阻都是指頻率f介于0～f/2或數(shù)字頻率ω介于0～π的那一段幅頻特性而言的。也就是說，數(shù)字濾波器處理的頻率應(yīng)該小于f/2.</p><p>　　關(guān)于數(shù)字頻率ω，一定要注意它是真實(shí)頻率于采樣頻率之比。說一個(gè)數(shù)字頻率低通的帶通是0～0.1π

17、,則時(shí)鐘為1Hz時(shí)是指0～50Hz，時(shí)鐘為2Hz時(shí)是指0～100Hz，時(shí)鐘為100kHz時(shí)是指0～5kHz，是相對(duì)頻率。</p><p>　　4）按同時(shí)處理的變量的個(gè)數(shù)分</p><p>　　分為一維和多維濾波器。一維濾波器的輸入、輸出、沖激響應(yīng)和頻響分別是x(n)、y(n)、h(n)、和H(ejω),二維濾波器分別是x(n,m)、y(n,m)、h(n,m)和H(ejω1,ejω2) ,三

18、維和三維以上類推。一位濾波器最常用。二維濾波器主要用于圖象處理，其用途日益廣泛。</p><p>　　分類的方法還有很多，比如線性濾波器和非線性濾波器、時(shí)變DF和非時(shí)變DF、純振幅DF和純相位DF、線性相位DF和非線性相位DF等等。</p><p>　　3.濾波器方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　按照本次設(shè)計(jì)的題目要求：利用LABVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，可以實(shí)

19、現(xiàn)IIR、FIR等數(shù)字濾波功能，參數(shù)可調(diào)。進(jìn)行了濾波器的設(shè)計(jì)。將兩路不同頻率的信號(hào)先疊加，然后通過濾波，將一路信號(hào)濾除，而保留有用信號(hào)。疊加即將兩個(gè)信號(hào)相加，用到了一個(gè)數(shù)學(xué)公式。然后信號(hào)進(jìn)入到一個(gè)選擇結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)中有兩路分支，每路分支均有一個(gè)濾波模塊，其中一個(gè)為IIR濾波器，另一個(gè)為FIR濾波器，通過按鈕可選擇IIR或是FIR。每個(gè)模塊可通過外部按鈕對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，各個(gè)過程的波形都用波形圖顯示出來。如圖2所示為數(shù)字濾波器的程序框圖。

20、</p><p>　　圖2 濾波器程序框圖</p><p>　　圖中可看出，整個(gè)程序處于一個(gè)大循環(huán)中，這樣在各時(shí)刻，當(dāng)調(diào)整參數(shù)時(shí)，程序也會(huì)即時(shí)更新，按停止按鈕時(shí)，濾波器停止工作。</p><p>　　如圖3所示為濾波器的前面板，四個(gè)波形顯示器分別顯示不同時(shí)刻的波形，而IIR和FIR的濾波參數(shù)調(diào)整按鈕都在顯示在面板上，還可以選擇濾波器的類型。</p>&

21、lt;p>　　通過IIR和FIR滑動(dòng)選擇按鈕可先選擇所需用的濾波器，然后對(duì)相應(yīng)的濾波器進(jìn)行設(shè)置。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置，選擇濾波器類型，如低通或高通，截止頻率設(shè)置等待。該設(shè)計(jì)可對(duì)任意頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波，只須濾波前弄清楚待濾波信號(hào)的各參數(shù)。</p><p>　　圖3 數(shù)字濾波器的前面板</p><p><b>　　4.調(diào)試過程及結(jié)果</b></p><p

22、>　　現(xiàn)對(duì)已設(shè)計(jì)的濾波器的功能進(jìn)行驗(yàn)證，看看其是否能完成相應(yīng)的濾波功能?，F(xiàn)將一路20Hz的正弦波和一路100Hz的正弦波進(jìn)行疊加，然后濾除其中一路，只對(duì)低通和高通進(jìn)行舉例驗(yàn)證。</p><p><b>　　4.1低通濾波器</b></p><p>　　用低通濾波器將100Hz的信號(hào)濾除，保留20Hz的信號(hào)。用IIR巴特沃斯濾波器，設(shè)置為低通類型如圖4。</

23、p><p>　　因?yàn)橐Ａ?0Hz的信號(hào)，故截止頻率要設(shè)置在20Hz以上，設(shè)置為25Hz，調(diào)整階數(shù)為11階，其余參數(shù)不用設(shè)置，則濾波的波形如圖5示。</p><p><b>　　圖4 低通濾波器</b></p><p>　　圖5 IIR低通濾波效果</p><p>　　由圖5察可知，濾波后的波形跟疊加前的20Hz信號(hào)波形一致

24、，即濾波效果比較理想，20Hz被完全保留，而100Hz被完全濾除。</p><p>　　當(dāng)選用FIR濾波器的時(shí)候也可以達(dá)到理想的效果，如圖6示。</p><p>　　圖6 FIR低通濾波效果</p><p>　　其參數(shù)如圖中FIR參數(shù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Windowed FIR，抽頭數(shù)100，最低通帶50Hz。</p><p><b>　　

25、4.2高通濾波器</b></p><p>　　用高通濾波器將20Hz的信號(hào)濾除，保留100Hz的信號(hào)。用IIR巴特沃斯濾波器，設(shè)置為如圖7示的高通類型。</p><p><b>　　圖7高通濾波器</b></p><p>　　先選擇IIR的巴特沃斯低通濾波器，其參數(shù)有低截止頻率設(shè)置為90，階數(shù)設(shè)置為9階，濾波效果如圖8</p&

26、gt;<p>　　圖8 IIR高通濾波器</p><p><b>　　5.其他類型濾波器</b></p><p>　　經(jīng)過驗(yàn)證，其他類型的濾波器，如IIR帶通和帶阻，F(xiàn)IR帶通和帶阻的功能只須選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波參數(shù)，均能理想的濾波，在此不一一敘述。</p><p><b>　　6.總結(jié)</b>

27、</p><p>　　通過學(xué)習(xí)和同學(xué)們的幫助以及查閱資料，我基本上完成了這次強(qiáng)化訓(xùn)練的要求。最終把LABVIEW濾波器的設(shè)計(jì)完成。在整個(gè)過程中，學(xué)習(xí)到了不少新的知識(shí)點(diǎn)。LABVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)是之前不曾接觸的軟件，在本次設(shè)計(jì)中，我對(duì)其中的各個(gè)器件和VI模塊的功能和用法都一一研究，邊學(xué)習(xí)，邊實(shí)際操作，很快便具備了基本的LABVIEW編程能力，在正式開始設(shè)計(jì)濾波器之前，我便按照指導(dǎo)書進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的VI設(shè)計(jì)，這

28、個(gè)過程使我的個(gè)人能力提高不少。之后我開始著手了濾波器的設(shè)計(jì)工作，我開始查閱資料，學(xué)習(xí)濾波器的相關(guān)知識(shí)，對(duì)濾波器的原理進(jìn)行深刻學(xué)習(xí)，對(duì)各種濾波器的功能和用法都仔細(xì)研究，對(duì)低通、高通、帶通、帶阻濾波器的各參數(shù)意義都理解。在這一切準(zhǔn)備工作之后，我便在開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，過程中不斷遇到新問題，都在深入學(xué)習(xí)后解決了，在不斷地更改和嘗試后終于達(dá)到基本要求。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我很好的一次磨練，我克服各種因素

29、，堅(jiān)持學(xué)習(xí)，堅(jiān)持獨(dú)立完成任務(wù)。我不僅學(xué)到了新知識(shí)，而且對(duì)WORD軟件更加熟練，對(duì)課設(shè)文檔的撰寫方法也又一次鞏固。現(xiàn)在，我一對(duì)基于LABVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)具備濃厚的興趣，今后將進(jìn)行不懈的探究，希望能熟練地掌握它。而這一次，我發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)好它的一個(gè)有效方法就是動(dòng)腦動(dòng)手進(jìn)行一些開發(fā)和設(shè)計(jì)，在開發(fā)和設(shè)計(jì)的過程中去思考和學(xué)習(xí)，邊學(xué)邊用，則能真正的理解原理和過程，達(dá)到掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的目的。當(dāng)前虛擬儀器應(yīng)用非常廣泛，其數(shù)字信號(hào)處理功能在各行各業(yè)大顯身

30、手，故電子相關(guān)專業(yè)的學(xué)生掌握它的基本原理和應(yīng)用十分必要，將來從事相關(guān)專業(yè)的工作，它也是一項(xiàng)技術(shù)和能力。所以，今后我亦將繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，做到精益求精。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 吳正毅.測(cè)試技術(shù)與測(cè)試信號(hào)處理. 北京：青華大學(xué)出版社，1991 </p><p>　　[2] 宗孔德，胡廣書，數(shù)字信號(hào)

31、處理. 北京：青華大學(xué)出版社，1988 </p><p>　　[3] 侯國(guó)屏，葉齊鑫主編，基于LABVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì). 北京：青華大學(xué)出版社，2004 </p><p>　　[4] 周求湛，錢志鴻，劉萍萍等，虛擬儀器與LABVIEW7.1程序設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004 </p><p>　　[5] Gary W.Johnson,R