课程设计----多功能滤波器设计.doc

课 程 设 计课 程 虚拟仪器课程设计 题 目 多功能滤波器设计 院 系 物理与电气信息工程学院 专业班级 08级自动化2班 学生姓名 陈鹏飞 张炜 张伟 王经龙 学生学号 200801071500 指导教师 王传英 2011年6月25日大庆师范学院课程设计（论文）评阅表课程名称 虚拟仪器课程设计 题目名称 多功能滤波器设计 系院 物理与电气信息工程学院 专业班级 08自动化2班 组长 陈鹏飞 组员 张炜 张伟 王经龙 指导教师评定评分项目资料查阅编写规范基本技能设计能力科学素养工作量综合成绩权重单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据。以小组为单位提交报告的，组长负责主要攥写工作，工作量上给予满分，组员为一半分数。目录1.虚拟仪器的相关简介12.方案设计原理12.1虚拟仪器的工作原理12.2几种基本类型的滤波器类型介绍22.3数字滤波器22.4滤波器的分类23.滤波器方案设计及实现44.调试过程及结果54.1低通滤波器54.2高通滤波器75.其他类型滤波器86.总结8参考文献91.虚拟仪器的相关介绍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labview设计即要用到labview。2.方案设计原理2.1常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，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图 1 所示。图1 虚拟仪器功能框图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。2.2方案论证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。2.3数字滤波器滤波器可分为三类：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。2.4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 dfh(z)有分母，须用递归型结构实现；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3003400hz，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.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。每个模块可通过外部按钮对其参数进行调整，各个过程的波形都用波形图显示出来。如图2所示为数字滤波器的程序框图。图2 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3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。图3 数字滤波器的前面板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低通滤波器用低通滤波器将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4。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5示。频率幅值截止频率图4 低通滤波器图5 iir低通滤波效果由图5察可知，滤波后的波形跟叠加前的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6示。图6 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高通滤波器用高通滤波器将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7示的高通类型。频率幅值最低通带图7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8图8 iir高通滤波器5.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。6.总结通过学习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labview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。labview虚拟仪器开发平台是之前不曾接触的软件，在本次设计中，我对其中的各个器件和vi模块的功能和用法都一一研究，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。本次课程设计是对我很好的一次磨练，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word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