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1、精选优质文档-倾情为你奉上 目 录基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计1LabVIEW相关简介1.1 虚拟仪器概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它是一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输出等。而所谓的虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用
2、户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集成在一台计算机中了。而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历。影响最大的虚拟仪器编程语言是美国NI公司的Lab VIEW 和Lab Windows/CVI。本次设计即要用到Lab VIEW。1.2虚拟仪器的工作原理虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来。与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功，实现了
3、仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图 1 所示。虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。 图1 虚拟仪器的功能模块1.3 Lab VIEW介绍Lab VIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时，Lab
4、VIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。Lab VIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。Lab VIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。以Lab VIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。Lab VIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力
5、，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。利用Lab VIEW，可产生独立运行的可执行文件。Lab VIEW是真正的32位编译器。像其他软件一样，Lab VIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多种版本。在安装Lab VIEW软件后，从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW7.1”，在计算机屏幕上将出现如图2所示的对话框。在这个对话框中可以直接访问某些Lab VIEW资源和工具，而不需要打开程序窗口。图2 图2 LabVIEW对话框在Lab VIEW对话框中单击New.按钮，将弹出如图3所示的New对话框。在New对话框左边
6、的Greate new：中，树形控件用于选择新建文档类型。其中，Blank VI用于建立一个新程序；VI from Template按类型列出Lab VIEW系统提供的程序模板，用户可以以这些模板为基础，建立自己的程序；Other Document Typlate列出其他文档类型，比如全局变量、自定义控件、运行时菜单等。当选中某一个模板VI时，Front panel preview和Black diagram preview子窗口给出其前面板和框图预览。Description子窗口给出所选文档类型的简单描述。选种适当的文档类型后，单击OK按钮，将打开对应的新文档窗口 图3 Lab VIEW新建
7、对话框2数字滤波器的原理本次设计要求设计滤波器将初始信号进行滤波处理，现在先对滤波器的相关原理进行阐述。2.1几种基本的滤波器类型介绍所谓滤波器，就是使有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用或有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。按工作频率的范围，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器。低通滤波器只有低频信号能通过而高频信号不能通过；高通滤波器只有高频信号能通过而低频信号不能通过；带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号能通过，而在此之外的其他频率的信号不能通过；带阻滤波器只会阻碍某一个频带范围内的信号通过，频带以外的信号不会受到影响。2.2 数字滤波器滤波器可分为三类：模拟滤波
8、器、采样滤波器和数字滤波器。模拟滤波器（AF）可以是由RLC构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，它们是连续时间系统。采样滤波器（SF）由电阻、电容、电荷转移器件、运放等组成，属于离散时间系统，其幅度是连续的。开关电容滤波器、电荷耦合滤波器军属这类滤波器。数字滤波器（DF）由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。它精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。其缺点是需要抽样、量化、编码，以及受时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。另外，由于有限字长效应会造成域设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极
9、限环振荡。此次我们要求设计的就是数字滤波器。2.3数字滤波器的分类从各种不同角度对数字滤波器分类：1）按冲激响应h(n)的长度分类 分为有限冲激响应（FIR）DF和无限冲激响应（IIR）DF两种。冲激响应本来是用于模拟系统，指系统对冲激函数（t）的响应。发展到数字滤波器后，工程上仍沿用这个名称，与单位抽样响应和单位脉冲响应的说法通用。IIR DF和FIR DF在特性、结构、设计方法、运用场合等方面均不相同，要根据实际情况而定。2）按有无递归结构分类 分为递归型和非递归型。递归表现为实现过程中出现反馈回路。即将某些输出量反馈到原输入点与原输入量相加。一般来说，IIR DF 的H(z)有分母，须用
10、递归型结构实现；FIR DF 的H(z)无分母，用非递归型结构实现。但是FIR DF也可以用递归型结构实现，比如H(z)=1+z-1+z-2+z-3可以改写然后用递归型结构实现。因此，尽管IIR、FFR与递归非递归有着密切的关系，但它们毕竟是从不同的角度看问题，在概念上不能混为一谈。3）按频域特点分 分为低通滤波器（LP DF）、高通滤波器(HP DF)、带通滤波器（BP DF）和带阻滤波器（BS DF）四种。这里要特别强调一点的是：数字滤波器的频响是周期的,其重复周期是采样频率f,或者数字频率2，且在每一周期内，幅频特性具有对称性。比如采样频率f=8000Hz,数字带通的通带是3003400
11、Hz，那么它的重复周期为8000Hz，由对称性可知46007700Hz也是通带，由周期性可知830011400Hz也是通带，等等。因此，如果你想从020kHz的信号中虑出14kHz的频率成分，那么在020kHz的频率范围内，带通滤波器应该只有14kHz的通带。因为频响的周期为采样频率f所以在f内与14kHz相对称的通带f-4kHzf-1kHz必须在20kHz的频率之外，应有f-4kHz20kHz即f24kHz则此时带通滤波器的通带范围为14kHz，2023kHz，2528kHz，从而保证了在020 kHz的频率范围内，只有14kHz的频率成分可以通过该滤波器。因此，所谓低通、高通、，带通、带阻
12、都是指频率f介于0f/2或数字频率介于0的那一段幅频特性而言的。也就是说，数字滤波器处理的频率应该小于f/2.关于数字频率，一定要注意它是真实频率于采样频率之比。说一个数字频率低通的带通是00.1,则时钟为1Hz时是指050Hz，时钟为2Hz时是指0100Hz，时钟为100kHz时是指05kHz，是相对频率。4）按同时处理的变量的个数分分为一维和多维滤波器。一维滤波器的输入、输出、冲激响应和频响分别是x(n)、y(n)、h(n)、和H(ej),二维滤波器分别是x(n,m)、y(n,m)、h(n,m)和H(ej1,ej2) ,三维和三维以上类推。一位滤波器最常用。二维滤波器主要用于图象处理，其用
13、途日益广泛。分类的方法还有很多，比如线性滤波器和非线性滤波器、时变DF和非时变DF、纯振幅DF和纯相位DF、线性相位DF和非线性相位DF等等。3.滤波器方案设计及实现按照本次设计的题目要求：利用LABVIEW设计一个数字滤波器，可以实现IIR、FIR等数字滤波功能，参数可调。进行了滤波器的设计。将两路不同频率的信号先叠加，然后通过滤波，将一路信号滤除，而保留有用信号。叠加即将两个信号相加，用到了一个数学公式。然后信号进入到一个选择结构，选择结构中有两路分支，每路分支均有一个滤波模块，其中一个为IIR滤波器，另一个为FIR滤波器，通过按钮可选择IIR或是FIR.每个滤波模块都可通过外部按钮对其参
14、数进行调整，各个过程的波形都用波形图显示出来。如图4所示为数字滤波器的程序框图。 图4 滤波器程序框图图中可看出，整个程序处于一个大循环中，这样在各时刻，当调整参数时，程序也会即时更新，按停止按钮时，滤波器停止工作。如图5所示为滤波器的前面板，四个波形显示器分别显示不同时刻的波形，而IIR和FIR的滤波参数调整按钮都在显示在面板上，还可以选择滤波器的类型。通过IIR和FIR滑动选择按钮可先选择所需用的滤波器，然后对相应的滤波器进行设置。拓扑结构设置，选择滤波器类型，如低通或高通，截止频率设置等待。该设计可对任意频率的信号进行滤波，只须滤波前弄清楚待滤波信号的各参数，然后选择合适的滤波器并设置适
15、当的参数即可，在调试部分会对此进行详细的讲述。图5 数字滤波器前面板4.调试过程及结果现对已设计的滤波器的功能进行验证，看看其是否能完成相应的滤波功能。现将一路20Hz的正弦波和一路100Hz的正弦波进行叠加，然后滤除其中一路。只对低通和高通进行举例验证。4.1低通滤波功能用低通滤波器将100Hz的信号滤除，保留20Hz的信号。用IIR巴特沃斯滤波器，设置为低通类型如图6。频率幅值截止频率 图6 低通滤波器因为要保留20Hz的信号，故截止频率要设置在20Hz以上，设置为25Hz，调整阶数为11阶，其余参数不用设置，则滤波的波形如图7所示。图7 IIR低通滤波效果由图7观察可知，滤波后的波形跟叠
16、加前的20Hz信号波形一致，即滤波效果比较理想，20Hz被完全保留，而100Hz被完全滤除。当选用FIR滤波器的时候也可以达到理想的效果，如图8所示。图8 FIR低通滤波效果其参数如图中FIR参数，拓扑结构为Windowed FIR，抽头数100，最低通带50Hz。4.2高通滤波功能用高通滤波器将20Hz的信号滤除，保留100Hz的信号。用IIR巴特沃斯滤波器，设置为如图9所示的高通类型。频率幅值最低通带 图9 高通滤波器先选择IIR的巴特沃斯低通滤波器，其参数有低截止频率设置为90，阶数设置为9阶，滤波效果如图10。图10 IIR 高通滤波器同理可用FIR进行高通滤波，实现比较理想的滤波效果
17、，如图11所示。其参数为最低通带63Hz，抽头数61。 图11 FIR高通滤波器4.3 其他类型滤波器 经过验证，其他类型的滤波器，如IIR带通和带阻，FIR带通和带阻的功能只须选择适当的拓扑结构，设置适当的滤波参数，均能理想的滤波，在此不一一叙述。5.心得体会在暑期近两个月的学习时间中，我通过自学和同学们的帮助以及查阅资料，我基本上完成了这次强化训练的要求。最终把Lab VIEW滤波器的设计完成。在整个过程中，学习到了不少新的知识点。Lab VIEW虚拟仪器开发平台是之前不曾接触的软件，在本次设计中，我先花了近两周的时间来学习Lab VIEW知识，对其中的各个器件和VI模块的功能和用法都一一
18、研究，边学习，边实际操作，很快便具备了基本的LabVIEW编程能力，在正式开始设计滤波器之前，我便按照指导书进行了一些简单的VI设计，这个过程使我的个人能力提高不少。之后我开始着手了滤波器的设计工作，我开始查阅资料，学习滤波器的相关知识，对滤波器的原理进行深刻学习，对各种滤波器的功能和用法都仔细研究，对低通、高通、带通、带阻滤波器的各参数意义都理解。在这一切准备工作之后，我便在开发平台上进行设计，过程中不断遇到新问题，都在深入学习后解决了，在不断地更改和尝试后终于达到基本要求。本次暑期训练是对我很好的一次磨练，在假期里，我克服各种因素，坚持学习，坚持独立完成任务。我不仅学到了新知识，而且对WO
19、RD软件更加熟练，对课设文档的撰写方法也又一次巩固。现在，我一对基于LabVIEW的虚拟仪器设计具备浓厚的兴趣，今后将进行不懈的探究，希望能熟练地掌握它。而这一次，我发现学习好它的一个有效方法就是动脑动手进行一些开发和设计，在开发和设计的过程中去思考和学习，边学边用，则能真正的理解原理和过程，达到掌握相关知识点的目的。当前虚拟仪器应用非常广泛，其数字信号处理功能在各行各业大显身手，故电子相关专业的学生掌握它的基本原理和应用十分必要，将来从事相关专业的工作，它也是一项技术和能力。所以，今后我亦将继续学习相关知识，做到精益求精。6.参考文献1 周求湛，钱志鸿，刘萍萍等，虚拟仪器与LabVIEW7.1程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，20042 雷振山，LabVIEW7.1Express实用技术编程.北京：中国铁道出版社，20043 侯国屏，叶齐鑫主编，基于LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：青华大学出版社，20044 宗孔德，胡广书，数字信号处理.北京：青华大学出版社，19885 Gary W.Johnson,Richard Jennings著.武嘉，陆劲昆.LabVIEW图形编程. 北京：北京大学出版社，20026 吴正毅.测试技术与测试信号处理. 北京：青华大学出版社，1991专心-专注-专业