虚拟仪器 多功能数字滤波器.docx

虚拟仪器 多功能数字滤波器.docx

《虚拟仪器 多功能数字滤波器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟仪器 多功能数字滤波器.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

虚拟仪器多功能数字滤波器

课程设计任务书............................................................................................................2

1虚拟仪器..................................................................................................................5

1．1虚拟仪器的概念.........................................................................................5

1．2虚拟仪器和传统仪器的比较.....................................................................5

1．3图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW................................................6

2数字滤波器..............................................................................................................7

2．1数字滤波器的概念.....................................................................................7

2．2滤波器的分类.............................................................................................7

3基于LabVIEW的多功能数字滤波器设计..........................................................9

3．1LABVIEW程序设计.................................................................................9

3．2设计思路...................................................................................................103．3系统整体设计流程图...............................................................................114多功能数字滤波器整体程序设计........................................................................12

4．1多功能数字滤波器前面板设计...............................................................12

4．1．1前面板各模块的设计..................................................................124．1．2前面板设计总体图......................................................................154．2多功能数字滤波器程序框图设计...........................................................16

4．2．1程序框图各部分设计..................................................................164．2．2总体程序设计图..........................................................................23

5系统功能................................................................................................................246系统调试................................................................................................................24心得体会......................................................................................................................27参考文献......................................................................................................................28

课程设计任务书

《虚拟仪器技术》课程设计任务书

（二）

题目：

多功能数字滤波器设计

一、课程设计任务

数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分，数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变,灵活性高，不存在阻抗匹配问题，便于大规模集成，可实现多位滤波等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用。

LabVIEW是图形化开发环境，它具有功能强大、编程效率高、界面友好、参数修改方便等优点，同时它在功能完整性和应用灵活性上也不逊于任何高级语言。

本课题选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，设计IIR和FIR等数字滤波器，可分别实现巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔多阶滤波器功能，在交互式界面可以根据工程要求方便的选择实用数字滤波器，有效地解决工程数字滤波问题。

具体指标与要求如下：

（1）IIR滤波器：

演示在不同输入波形（正弦波、直流波、三角波、锯尺波或方波，可设置信号频率、幅值、采样频率、采样点数等参数，且可加入不同类型与大小的噪声）情况下，选择不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和逼近准则（巴特沃思法、切比雪夫Ⅰ型法、切比雪夫Ⅱ型法、椭圆滤波器法和贝塞尔滤波器法等）以及相应的滤波参数时IIR滤波器输出波形变化。

（2）FIR滤波器：

演示在不同输入波形情况下，选择不同的滤波器类型（高通、低通、带通和带阻）和不同的设计方法（窗函数加权法、EquirippleFIR法和FIRbySpecification法）以及不同的滤波参数时FIR滤波器输出波形变化。

（3）中值滤波器：

演示在不同输入波形情况下，选择不同的滤波参数时中值滤波器输出波形变化。

（4）系统具有交互式友好界面，并可以根据工程要求方便的选择各种不同的实用型数字滤波器。

二、课程设计目的

通过本次课程设计使学生具备：

1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试

技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力；8）通过本次课程设计，加深对各种滤波器的认识，并对各滤波器的滤波特性有一个更加全面的了解。

三、课程设计要求

1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；

2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立数字滤波器的功能和工作原理，确定多功能数字滤波器的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；

3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；

4、撰写完整的课程设计报告。

四、课程设计内容

1、多功能数字滤波器前面板设计；

前面板要求：

仪器操作均在前面板进行；仪器操作方便，人性化设计；前面板美观大方。

2、多功能数字滤波器框图程序设计。

框图程序要求：

设计思路简洁；功能完善，达到设计要求；布线合理，便于查看。

五、课程设计报告要求

报告中提供如下内容：

1、目录

2、正文

（1）课程设计任务书；

（2）总体设计方案（包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计多功能数字滤波器，多功能数字滤波器的总体结构图等）；

（3）简述所设计的多功能数字滤波器的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，要求根据上面的具体指标画出时序图，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的多功能数字滤波器；

（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；

（5）调试、运行及其结果；要求有多功能数字滤波器设计的源程序和运行结果等。

3、收获、体会

4、参考文献

六、课程设计进度安排

本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:

时间

上午

下午

星期一

课程设计动员、布置课程设计任务

查找与消化相关资料、总体方案设计

星期二

软件设计

软件设计

星期三

软件设计

软件设计

星期四

系统调试

系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告

星期五

完成课程设计报告并上交

答辩

七、课程设计考核办法

本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

1虚拟仪器

1．1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NationalInstruments）最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.4所示。

用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。

硬件驱动程序数据处理用户界面

图1.1虚拟仪器软件结构

1．2虚拟仪器和传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1.1所示）。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

表1.1虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器

传统仪器

开发维护费用低

开发维护费用高

技术更新周期短（0.5～1年）

技术更新周期短（5～10年）

软件是关键

硬件是关键

价格低

价格昂贵

开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置

固定

可用网络联络周边各仪器

只可连有限的设备

自动化、智能化、多功能、远距离传输

功能单一，操作不便

1．3图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。

1．4基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计

所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分。

1）前面板：

前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。

但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。

2）流程图：

流程图提供VI的图形化源程序。

在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。

流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

2数字滤波器

2．1数字滤波器的概念

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。

滤波器可分为三类：

模拟滤波器、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限环振荡。

此次我们要求设计的就是数字滤波器。

2．2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δ（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。

IIRDF和FIRDF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，IIRDFH（z）有分母，须用递归型结构实现；FIRDF的H（z）无分母，用非递归型结构实现。

但是FIRDF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（LPDF）、高通滤波器（HPDF）、带通滤波器（BPDF）和带阻滤波器（BSDF）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2π，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300～3400Hz，那么它的重复周期为8000Hz，由对称性可知4600～7700Hz也是通带，由周期性可知8300～11400Hz也是通带，等等。

因此，如果你想从0～20kHz的信号中虑出1～4kHz的频率成分，那么在0～20kHz的频率范围内，带通滤波器应该只有1～4kHz的通带。

因为频响的周期为采样频率f所以在f内与1～4kHz相对称的通带f-4kHz～f-1kHz必须在20kHz的频率之外，应有f-4kHz>20kHz即f>24kHz.

此时带通滤波器的通带范围为1～4kHz，20～23kHz，25～28kHz，……从而保证了在0～20kHz的频率范围内，只有1～4kHz的频率成分可以通过该滤波器。

因此，所谓低通、高通、，带通、带阻都是指频率f介于0～f/2或数字频率ω介于0～π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ω，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0～0.1π,则时钟为1Hz时是指0～50Hz，时钟为2Hz时是指0～100Hz，时钟为100kHz时是指0～5kHz，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（ejω）,二维滤波器分别是x（n,m）、y（n,m）、h（n,m）和H（ejω1,ejω2）,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基于LabVIEW的多功能数字滤波器设计

3．1LABVIEW程序设计

LabVIEW程序由两部分组成：

前面板程序和框图程序。

整个程序是基于多线程设计,即前面板和框图程序各占用一个线程。

LabVIEW的前面板,即交互式界面,用于设置输入数值和观察输出量,在前面板中,使用了各种图标如开关,实时趋势图等来模拟真实仪器的面板,并可如同操作实际仪器一样方便地调节输入参数和进行输出模式定制。

本文中前面板的设计,充分发挥了LabVIEW的特长,即建立了友好的人机操作界面,滤波器前面板所示。

本程序将几种典型的IIR和FIR数字滤波器集成在一个应用程序中,因此可以根据实际需要选择基于不同逼近准则的滤波器。

用户可以方便地调整采样率,波纹幅度等滤波参数而不必要修改框图程序。

由位于上方的输出波形图可以直观地观察滤波器滤波后的波形以及幅频与相频特性,在IIR和FIR数字滤波器的前面板设计中采用了装饰框,使整个虚拟面板变得简洁、美观。

由于滤波器对信号的分析要求循环进行,而整个过程都希望是人为控制的,因此框图程序里需要一个While循环结构。

所设计的滤波器可以进行IIR、FIR中值滤波器三种滤波方式,并且最后要在前面板上显示滤波后的波形、滤波器信息以及滤波后的频谱信息,因此这里采用了两个选择结构,一个实现滤波方式的选择,一个实现波形显示的选择。

可以将IIR数字滤波器中的Butterworth、Chebyshev、Bessel、Ellipse、Inverse和FIR数字滤波器中的Hamming窗、Hanning窗、Triangular窗、Blackman窗、ExactBlackman窗、Blackman-Harris窗、FlatTop窗和Kaiser-Bessel窗等几种典型滤波方式集成于一个应用程序中。

这几种典型的滤波方式各有各的优势,以IIR数字滤波器中的几种模拟滤波器原型而言,Butterworth型IIR滤波器具有单调下降的幅频特性;Chebyshev型幅频特性在通带或者在阻带有波动,可以提高选择性;Bessel型通带内有较好的线性相位特性;而Ellipse其选择性相对前三种是最好的。

由于LabVIEW高效的编程方式和灵活的编程特点，将他们集成在一起，可以大大的满足用户的需要。

3．2设计思路

设计的数字滤波器是把采集来的信号，进行滤波，保存打印。

在LabVIEW中设计虚拟数字滤波器,关键问题是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数.比如,要设计一个虚拟数字式巴特沃斯滤波器,其设计过程是在Functions选项板下次选择AnalyzeSignalProcessingFilters子选项板,最后在Filters子选项板中选择ButterworthFilter.vi图标,选中后在流程图中便出现巴特沃斯滤波器（ButterworthFilter.vi）图标,然后,设置ButterworthFilter.vi的相关参数。

虚拟滤波器去除噪声在信号传输过程中,经常会混入高频噪声,噪声的能量甚至会超过信号能量。

因此接收端收到信号后,通常首先要进行低通滤波,然后才能对信号做进一步处理。

设计的流程图如图2.1所示。

图3.1设计流程图

系统包括自选信号、滤波部分和现实部分。

自选信号是信号发生器发出的信号加上噪声信号来实现的。

在信号发生器部分应用BasicFunctionGenerator.vi产生正弦波、方波、三角波、锯齿波

等标准信号，噪声部分我使用了自行选择的方式，从8中噪声中选择一种，然后一起相加生成自选信号。

滤波部分是本程序的核心部分。

选用滤波速度快，对相位没有要求的IIR滤波器，本程序采用Butterworth滤波器和Chebyshev滤波器。

显示部分是本程序面向用户的一个关键部分，最终的成果是通过它呈现出来。

我们要显示的波形图分为滤波前的自选信号和滤波后的信号。

同时得到幅频信号和相频信号。

信号发生器

噪声信号虚拟滤波器滤波器选择

FIR滤波器IIR滤波器滤波器参数设置

开始运行波形显示

根据滤波器效果调整各项参数

达到滤波效果

结束

模拟实际信号

显示

中值滤波器

3．3系统整体设计流程图

开始

信号波形选择和参数设置

是否加入噪声

信号与噪声叠加噪声类选择及参数设置Y

N

4多功能数字滤波器整体程序设计

4．1多功能数字滤波器前面板设计

4．1．1前面板各模块的设计

各模块的设计大体分为三块，有波形信号产生界面的设计、信号处理及滤波的界面设计、显示界面的设计。

其中，波形信号产生界面包含原始波形产生的参数设置，噪声加入设计；信号的处理考虑到FIR滤波器、IIR滤波器、及中值滤波器的界面设计及参数设置，分别在下面进行分析。

（1）信号产生界面的设计

如图4.1为信号参数的设置，其中，波形的选择有5种，分别为正弦波，方波，三角波，锯齿波及直流信号。

直流信号可以用正弦波或其他波形来代替，只要将幅值设置成0即可。