基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计.doc

目 录 1 LABVIEW 相关简介 1 1 1 虚拟仪器概念 1 1 2 虚拟仪器的工作原理 1 1 3 Lab VIEW 介绍 2 2 数字滤波器的原理 4 2 1 几种基本的滤波器类型介绍 4 2 2 数字滤波器 4 2 3 数字滤波器的分类 5 3 滤波器方案设计及实现 6 4 调试过程及结果 8 4 1 低通滤波功能 8 4 2 高通滤波功能 10 4 3 其他类型滤波器 12 5 心得体会 12 6 参考文献 13 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 1 基于 LABVIEW 的虚拟数字滤波器设计 1 LabVIEW 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 2 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 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 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 3 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 4 图3 Lab VIEW新建对话框 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 5 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 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 须用递归型结构实现 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 6 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 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 则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 20 kHz 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 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 0 0 1 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 ej 二维滤波器分别是 x n m y n m h n m 和 H ej 1 ej 2 三维 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 7 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 每个滤波模块都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 4 所示为数字滤波器的程序框图 图 4 滤波器程序框图 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 8 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 9 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 10 图 7 IIR 低通滤波效果 由图 7 观察可知 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 8 所示 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 11 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 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 12 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 如图 11 所示 其参数为最低通带 63Hz 抽头数 61 武汉理工大学 能力拓展训练 报告书 13 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