基于Labview的虚拟滤波器设计_课程设计.doc

基于labview的虚拟示波器课程设计 沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目：基于labview的虚拟滤波器设计系 别 自动化学院 班级 测控本101 沈阳工程学院课程设计任务书 课程设计题目：基于labview的虚拟滤波器设计 系 别 自动化学院 班级 测本101 课程设计进行地点： 实训f430 任 务 下 达 时 间： 2013年 3月4日 起止日期：2013年3月4日起至2013年3月8日止 教研室主任 年 月 日批准 沈 阳 工 程 学 院基于labview的虚拟滤波器设计课程设计成绩评定表系（部）： 自动化学院 班级： 测控本101 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分1.设计主要内容及要求；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、切比雪夫型法、切比雪夫型法、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)和窗函数加权法、以及不同的滤波参数时fir滤波器输出波形变化。(3)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。2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）. 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注13月4日教师讲解题目，学生查阅相关资料23月5日进行方案论证，确定程序流程33月6日程序设计43月7日调试程序53月8日撰写论文，成果验收摘要随着电子科学技术的发展，虚拟仪器简称vi，的概念已逐步为工业界和学术界所认识，成为实际测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，与此同时，为了满足人们的需要，虚拟仪器这一虚拟测量技术也得到了广泛的应用。本次虚拟仪器课程设计我所设计的课题为：“基于labview的滤波器的设计” 。我所设计的滤波器包含iir滤波器，fir滤波器，我将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、切比雪夫型法、切比雪夫型法、椭圆滤波器法和贝塞尔滤波器法等)以及窗函数加权法和不同的滤波参数时fir滤波器输出波形变化。本次课程设计是基于labview8.5这一软件所设计的。我将演示含有噪音的信号经滤波器后的滤波效果，仿真真实的滤波器进行虚拟设计关键词： 虚拟仪器，滤波器，daq，频率1 目录基于labview的虚拟滤波器设计 课程设计成绩评定表iii摘要v一 设计任务描述- 1 -1.1设计题目：基于labview的滤波器设计- 1 -1.2设计要求：- 1 -二 设计思路- 2 -三 设计方框图- 3 -3.1 iir滤波器设计图- 3 -3.2 fir滤波器设计图- 4 -四 设计原理- 5 -4.1 daq采集模块- 5 -4.2 输入模拟信号和噪音模块- 5 -4.2.1 输入信号- 5 -4.3 iir滤波器- 5 -4.3.1 滤波器类型- 5 -4.3.2逼近准则- 5 -4.4 fir滤波器- 6 -4.4.1 窗- 6 -4.4.2 幅值、相位的设计- 7 -五 程序设计- 8 -5.1输入信号- 8 -5.1.1 控件- 8 -5.1.2 程序- 8 -5.2 fir iir选择设置- 11 -5.3 滤波器- 11 -5.3.1 iir 滤波器- 11 -5.3.2 fir滤波器- 12 -5.4 调试控件- 12 -5.4.1 iir 调试控件- 12 -5.4.2 fir 调试控件- 13 -5.5 显示控件- 14 -5.5.2 fir 显示控件- 14 -5.6 幅值相位相关计算控件- 15 -六 工作过程分析- 17 -6.1 iir 滤波器工作过程- 17 -6.2 fir 滤波器工作过程- 17 -6.2.1 fir 滤波过程- 17 -6.2.2 fir 滤波过程中幅值、相位的变化过程- 18 -七 设计过程中遇到的问题- 19 -小结- 21 -致谢- 22 -参考文献- 23 -附录1- 24 -基于labview的虚拟信号发生器设计一 设计任务描述1.1设计题目：基于labview的滤波器设计1.2设计要求：(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、切比雪夫型法、切比雪夫型法、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)和窗函数加权法以及不同的滤波参数时fir滤波器输出波形变化。(3)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 设计思路第一部分： daq数据采集模块 第二部分：iir不同滤波器设计模块第三部分：fir窗函数加权法滤波器设计模块第四部分：滤波器功能的整体实现模块三 设计方框图3.1 iir滤波器设计图输入波噪音南北红滤波器i i r带阻南北红带通南北红高通南北红低通南北红 巴特沃思法南北红切比雪夫1型法南北红切比雪夫2型法南北红贝塞尔滤波器法南北红椭圆滤波器法南北红波形显示3.2 fir滤波器设计图输入波噪音南北红滤波器f i r带阻南北红带通南北红高通南北红低通南北红 窗函数加权法器法南北红波形显示相位南北红幅值波形显示波形显示 四 设计原理4.1 daq采集模块建立dao助手daq为：函数测量i/odaqmx-数据采集daq助手。根据用户需用的波形及参数，将用示波器输出所需波形，经daq采集数据后在示波器上显示。4.2 输入模拟信号和噪音模块4.2.1 输入信号在设计中需要一个常规的波形，如正弦波、直流波、三角波、锯尺波或方波，并且可设置信号频率、幅值、采样频率、采样点数等参数4.2.2 噪音可加入不同类型与大小的噪声，因为在实际过程中噪音是不能已知的，所以在模拟过程中要尝试不同类型的噪音，以便确保设计的滤波器可以对任何噪音都有一定的滤波作用。在我的设计中我选用了高斯白噪音为例进行了研究。4.3 iir滤波器4.3.1 滤波器类型按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过4.3.2逼近准则巴特沃斯响应（最平坦响应） 巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。该响应非常平坦，接近dc信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3db，最终逼近-20ndb/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。贝塞尔响应除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外，滤波器还会为其引入了一个延迟。延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。就像巴特沃斯响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样，贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。切贝雪夫响应在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。附录a包含了设计多达8阶的具巴特沃斯、贝塞尔和切贝雪夫响应滤波器所需参数的表格。其中两个表格用于切贝雪夫响应一个用于0.1db最大通带纹波；另一个用于1db最大通带纹波。4.4 fir滤波器4.4.1 窗1)矩形窗矩形窗属于时间变量的零次幂窗。矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。2) 三角窗三角窗亦称费杰（fejer）窗，是幂窗的一次方形式。与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。3) 汉宁（hanning）窗汉宁窗又称升余弦窗，汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是 3个 sine（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了 /t，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。可以看出，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。 4) 海明（hamming）窗海明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗。海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，海明窗的第一旁瓣衰减为一42db海明窗的频谱也是由3个矩形时窗的频谱合成，但其旁瓣衰减速度为20db（10oct），这比汉宁窗衰减速度慢。海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数。5) 高斯窗高斯窗是一种指数窗。高斯窗谱无负的旁瓣，第一旁瓣衰减达一55db。高斯富谱的主瓣较宽，故而频率分辨力低高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号，如指数衰减信号等。对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的，这主要是因为不同的窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。信号的截断产生了能量泄漏，而用fft算法计算频谱又产生了栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。(矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低；布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高)4.4.2 幅值、相位的设计想要得到选择滤波器的相关性能，则需在有限长单位冲激函数的激励下，显示器相应的幅值，相位情况，计算幅值是用20log db 作为显示，计算相位是用虚拟仪器中的展开相位功能进行显示，通过对输入波，滤后波，及窗滤波器本身的幅值，相位特性的显示，便于观察，计算和比较。五 程序设计5.1输入信号5.1.1 控件使用信号发生器及daq,输入一个正弦波信号，选用高斯白噪音作为噪音信号 噪音： 5.1.2 程序使用daq，在连接信号发生器的情况下，接受正弦波的数据。2、在【生成信号】中选择【模拟输出】的【电压输出】3、选择通道【ao0】。4、直接点击【确定】。5.2 fir iir选择设置 5.3 滤波器5.3.1 iir 滤波器iir中有多种滤波器，设计中使用组合框，和条件结构的形式来满足在任何噪音进入的情况下都可以进行滤波，可以自由选择滤波器，直到效果最好为止。 切比雪夫型法： 切比雪夫型法： 椭圆滤波器法 ： 贝塞尔滤波法： 巴特沃思法： 5.3.2 fir滤波器窗函数加权法： 5.4 调试控件5.4.1 iir 调试控件在iir滤波器中对噪音的过滤不仅要靠不同的滤波器，相关参数的调控也尤为重要。iir滤波器可以通过调节高、低截止频率，阶数来更好的完成滤波过程。 5.4.2 fir 调试控件 在ffr滤波器中窗函数加权法中，通过调节窗参数，采样频率，高、低截止频率，抽头等参数，以实现对噪音更好的过滤。 5.5 显示控件5.5.1 iir 显示控件5.5.2 fir 显示控件5.6 幅值相位相关计算控件将所需计算幅值、相位的信号输入窗中，对输出信号进行补零，fft变换，复数向幅值、相位转换的计算过程，完成幅值相位的显示。fft计算线性卷积线性卷积是求离散系统响应的主要方法之一,许多重要应用都建立在这一理论基础上,如卷积滤波等。以前曾讨论了用圆周卷积计算线性卷积的方法归纳如下:将长为n2的序列x(n)延长到l,补l-n2个零将长为n1的序列h(n)延长到l,补l-n1个零如果ln1+n2-1,则圆周卷积与线性卷积相等,此时,可有fft计算线性卷积,方法如下:a.计算x(k)=fftx(n)b.求h(k)=ffth(n)c.求y(k)=h(k)y(k) k=0l-1d.求y(n)=iffty(k) n=0l-1可见，只要进行二次fft,一次ifft就可完成线性卷积计算。计算表明,l32时,上述计算线性卷积的方法比直接计算线卷积有明显的优越性,因此,也称上述圆周卷积方法为快速卷积法fft计算相关函数互相关和自相关函数的计算可利用fft实现。由于离散付里叶变换隐含着周期性，所以用fft计算离散相关函数也是对周期序列而言的。直接做n点fft相当于对两个n点序列x(n)、y(n)作周期延拓，作相关后再取主值（类似圆周卷积）。而实际一般要求的是两个有限长序列的线性相关，为避免混淆，需采用与圆周卷积求线性卷积相类似的方法，先将序列延长补0后再用上述方法。（1）一个n点fft同时计算两个n点实序列的dft设x1(n),x2(n)是彼此独立的两个n点实序列,且x1(k)=dftx1(n)，x2(k)=dftx2(n)可通过一次fft运算同时获得x1(k),x2(k)。算法如下：首先将x1(n),x2(n)分别当作一复序列的实部及虚部,令x(n)=x1(n)+jx2(n)通过fft运算可获得x(n)的dft值 x(k)=dftx1(n)+jdftx2(n)=x1(k)+jx2(k)利用离散付里叶变换的共轭对称性x1(k)=1/2*x(k)+x(n-k)共轭x2(k)=1/2*x(k)-x(n-k)共轭有了x(n)的fft运算结果x(k),由上式即可得到x1(k),x2(k)的值。将所需计算幅值、相位的信号输入窗中，对输出信号进行补零，fft变换，复数向幅值、相位转换的计算过程，完成幅值相位的显示。六 工作过程分析6.1 iir 滤波器工作过程输入波形混合噪音后的波形滤波后的波形 显示如下，噪音在选择不同的滤波方法后被滤掉，完成滤波过程。6.2 fir 滤波器工作过程6.2.1 fir 滤波过程输入波形混合噪音后的波形滤波后的波形 显示如下，噪音在调节不同的参数后被滤掉，完成滤波过程。6.2.2 fir 滤波过程中幅值、相位的变化过程七 设计过程中遇到的问题1、幅值、相位计算过程将滤波的窗的相同参数放入一个新的窗中，输入冲击函数后经补零，达到2的n次幂后进行fft变换，20倍的log后转换成分贝即幅值，经相位转换控件后即为相位.2、daq数据采集板的使用 daq助手的使用上出现了问题，以下是对其原理的介绍。(1)采样率对于数据采集设备来说采样率就是a/d转换的速率。(2)分辨率是数据采集设备的精度指标，用模数转换器的位数来表示。数据采集设备模数转换的位数越多。把模拟信号划分得越细.此次使用的sc-2075是labview设计的外界硬件电路板，它为虚拟仪器的程序设计提供与外界的交换信息的通道。可利用编程语言驱动程序函数驱动数据采集卡，设计者只需正确设置输入参数，就可实现数据采集的任务，而不需要编写代码程序。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字i/o、计数器/定时器等，这些功能分别由相应的单元电路来实现。 模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关、放大器、采集/保持电路，以及a/d转换器来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。a/d转换器的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来来选择合适的a/d转换器。模拟输出通常是为系统提供输出或控制信号。数模转换器的建立时间、转换率、分辨率等因素都会影响模拟输出信号。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的d/a转换器可以提供一个较高频率的信号。应该实际需要选择d/a转换器的参数指标。数据采集(daq)是通过daq卡采集数据和输出数据。通常一块daq卡能实现多种功能，其中包括模数转换(a/d)、数模转换(d/a)、数字输入输出(di/o)和计算器/定时器功能 小结为期一周的虚拟仪器课设结束了，课设的内容需要我们对labview和滤波器器有一定的了解。 通过复习了labview的编程和滤波器组成和工作原理，使我大概对我的设计有了思路，我的设计程序实现有信号生成，滤波器选择，滤波器算法，波形输出并显示。是一次真正的学习与实践相互结合的过程。 我对设计的总体思路花费了很长时间，复习半学期对虚拟仪器这一门课程学习的知识，同时对滤波器有认识，我了解了滤波器的操作界面及其工作原理。每个程序的设计都要有完整的设计流程，这样才能在编程时有良好的思路，便于查找出错的原因。这次课程设计给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，增强了我独立思考自己动手的能力。在设计过程中我更多的学会了耐心的重要，很多次因为找不到出错的地方而急躁，这让知道了对程序的设计要一步一步来，不能急躁，虽然不是刚接触这个软件，但是做起来困难也很大，我们组所做的设计要求我们有个良好的心态自觉去学，所以在不断的请教和查资料的情况下终于完成了相关工功能的设计。该虚拟数字滤波器不仅实现了一般通用数字存滤波器的功能，通很好的掌握了滤波器滤波的原理，并且对噪音的滤波过程有了更深一层的了解。是一次收获良多的过程。 致谢时光如水，岁月如歌，一周虚拟仪器课程设计在不知不觉中过去了，我在本