基于labview的虛擬濾波器設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘　　要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p>　　第一章 虛擬儀器3</p><p><b>　　1.1引言3</b></p><p>　　1.

2、2 虛擬儀器的概念4</p><p>　　1.3 虛擬儀器的工作原理5</p><p>　　1.4 虛擬儀器的設計與實現(xiàn)步驟5</p><p>　　1.4.1 前面板的設計5</p><p>　　1.4.2 流程圖的設計6</p><p><b>　　第二章 濾波器7</b></

3、p><p>　　2.1 濾波器的簡單介紹7</p><p>　　2.2 數(shù)字濾波器的分類7</p><p>　　2.2.1 按沖激響應h(n)的長度分類7</p><p>　　2.2.2 按有無遞歸結構分類8</p><p>　　2.2.3 按頻域特點分8</p><p>　　2.3 數(shù)字

4、濾波器的一般分析、設計方法8</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的主要性能指標10</p><p>　　第三章 設計實現(xiàn)13</p><p>　　3.1 濾波器及Lab VIEW實現(xiàn)13</p><p>　　3.2 在labVIEW中設計濾波器13</p><p>　　3.3調試過程及結果15</

5、p><p>　　3.3.2 高通濾波功能17</p><p>　　3.3.3 其他類型濾波器19</p><p><b>　　總結與展望20</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　致謝23</b>&l

6、t;/p><p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　隨著電子技術和計算機技術的快速發(fā)展以及價格不斷下降，傳統(tǒng)的電子技術設計觀念，使原來需硬件完成的功能，現(xiàn)在能由軟件實現(xiàn)。例如儀器面板和數(shù)字濾波等，實現(xiàn)硬件軟件化。而不少硬件難以實現(xiàn)的功能，例如復雜的信號分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計和三維圖像顯示等，在計算機中則較容易實現(xiàn)。在市場的需求和相關技術支持下，促使了基于個人計算機

7、的測控儀器——虛擬儀器的發(fā)展。虛擬儀器利用計算機強大的處理能力，使得它成為了一種很好的工具，其應用范圍也越來越廣泛。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力和可操作性等方面均具有明顯的技術優(yōu)勢。</p><p>　　本文設計的虛擬數(shù)字濾波器的系統(tǒng)工作原理是，對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)使用者的不同要求由軟件對數(shù)據(jù)進行相應的分析、處理，并在屏幕上顯示處理結果。</p><p>　　本

8、設計所采用的軟件是美國NI公司推出的LabView。LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，具有十分強大的數(shù)據(jù)庫。它為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設計環(huán)境。是目前應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件之一。</p><p>　　關鍵詞： 濾波器；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW</p><p><b>　　Abstract</b></p>

9、;<p>　　Along with the electronic technology and the rapid development of computer technology and the price drops ceaselessly, traditional electronic technology design idea, so that the original hardware complete f

10、unction, can now be realized by software. For example, instrument panel and digital filtering, implementation of hardware and software. While many hardware to realize the functions, such as the complex signal analysis, d

11、ata statistics and three-dimensional image display, on a computer is reali</p><p>　　In this paper, the design of the virtual digital filter system working principle is carried out on the analog signal, data

12、acquisition, according to the different requirements of users by software for data corresponding to the analysis, processing, and the screen displays the processing result.</p><p>　　The design of the softwar

13、e is introduced by American NI Corporation LabView. LabVIEW is a graphical programming language based development environment, have very powerful database. It is a virtual instrument designer provides a convenient, easy

14、design environment. Is currently the most widely used software of virtual instrument development platform.</p><p>　　Keywords: Wave filter,Virtual instrument,Data acquisition,Labview</p><p><b

15、>　　第一章 虛擬儀器</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是當今計算機輔助測試(CAT)領域的一項重要技術。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結合。</p><p>　　測量儀器發(fā)展至今，大體

16、經(jīng)歷了四代發(fā)展歷程，即模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器。</p><p>　　由于現(xiàn)代計算機技術和信息技術的迅猛發(fā)展，猶如滾滾長江東流水，沖擊著國民經(jīng)濟的各個領域，也引起了測量儀器和測試技術的巨大變革。人們曾為測量儀器從模擬化、數(shù)字化到智能化的進步而欣喜，也為自動測試技術的日新月異的發(fā)展所鼓舞，當今虛擬儀器技術的出現(xiàn)又使得測量儀器進步入了高科技的殿堂。 </p><p>　　

17、近年來，以計算機為中心、以網(wǎng)絡為核心的網(wǎng)絡化測控技術與網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)得到越來越多的應用，尤其是在航空航天等國防科技領域。網(wǎng)絡化的測控系統(tǒng)大體上由兩部分組成：測控終端與傳輸介質，隨著個人計算機的高速發(fā)展，測控終端的位置越來越多的被個人計算機所占據(jù)，其中，軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心，甚至是整個測控系統(tǒng)的靈魂，應用于測控領域的軟件系統(tǒng)稱為監(jiān)控軟件。傳輸介質組成的通信網(wǎng)絡主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個測控系統(tǒng)的主體，是完成測控

18、任務的主力。因此，這種“監(jiān)控軟件－數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”構架的測控系統(tǒng)結構在很多領域都得到了廣泛的應用，并形成了一套完整的理論。</p><p>　　與傳統(tǒng)的儀器不同，虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計算機和標準總線技術的模塊化系統(tǒng)，通常它是由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，在虛擬儀器中軟件是至關重要的，儀器的功能都要通過它來實現(xiàn)，因此軟件是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”，從本質上反映了虛擬儀器的特

19、征。 </p><p>　　虛擬儀器應用程序的開發(fā)環(huán)境主要有兩種。一種是基于傳統(tǒng)的文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual Basic、VC++等。另一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有Lab View和Hp Vee。其中圖形化軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，界面友好，操作簡便，可大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，深受專業(yè)人員的青睞。 <

20、;/p><p>　　1.2 虛擬儀器的概念</p><p>　　虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（National Instruments）最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。</p>&

21、lt;p>　　虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略的說，這種結合有兩種方式。一種方式是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器的功能也越來越強大。另一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。</p><p>　　一種典型的虛擬儀器

22、結構如圖1-1所示</p><p>　　圖1-1 典型的虛擬儀器結構</p><p>　　與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：</p><p>　　智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程序主要取決去儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專

23、家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。</p><p>　　復用性強，系統(tǒng)費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。</p><p&g

24、t;　　可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可以打印，顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。</p><p>　　1.3 虛擬儀器的工作原理</p><p>　　虛擬儀器以透明的方式把計算與傳統(tǒng)儀器一樣。虛

25、擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結果表達三大功機資源和儀器硬件的測試能力結合起來，實現(xiàn)了儀器功能的運作。虛擬儀器的功能模塊如圖 1-2 所示。</p><p>　　虛擬儀器用各種圖標或控件來虛擬傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件。由各種開關圖標實現(xiàn)儀器電源的通斷；由各種按鈕圖標來設置被測信號的“放大倍數(shù)” 、“通道”等參數(shù)；由各種顯示控件以數(shù)值或波形的方式顯示測量或分析結果；由計算機的鼠標和鍵盤操作來模擬傳

26、統(tǒng)儀器面板上的實際操作；以對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)各種信號測量和數(shù)據(jù)分析功能。</p><p>　　圖1-2 虛擬儀器的功能模塊 </p><p>　　1.4 虛擬儀器的設計與實現(xiàn)步驟</p><p>　　1.4.1 前面板的設計</p><p>　　前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實濾波器的前面板。由于虛擬面板直接面

27、向用戶，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設計這部分時，主要考慮界面美觀、操作簡潔，用戶能通過面板上的各種按鈕、開關等控鍵來控制虛擬濾波器的工作。實際中的待測信號可以由 數(shù)據(jù)采集卡實時采集濾波，也可以由數(shù)據(jù)采集卡采集后保存為LabVIEW所能夠識別的文件形式，之后再由LabVIEW進行分析濾波。在這里用基本的信號(正弦波，余弦波，方波，鋸齒波)來模擬原始信號。程序采用窗函數(shù)法的計算流程，將窗函數(shù)與需要濾波的信號進行卷積實現(xiàn)信號的濾波。使用者

28、可對原始信號，噪聲信號和濾波器參數(shù)進行設置。原始信號的波形圖，濾波的結果都可得到實時顯示。這樣，在程序成功的運行后就可以從顯示區(qū)得到結果，使結果更為直觀的反映出來。</p><p>　　1.4.2 流程圖的設計</p><p>　　框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構成的。節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者 子程序?？驁D中的每一個對象端點與前面板上的對象(控制或顯示)一一對應。

29、不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型，在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強調。</p><p><b>　　第二章 濾波器</b></p><p>　　2.1 濾波器的簡單介紹</p><p>　　在無線電通信、非電量及微弱信號檢測、電視接收機、自動控制等電路中，所能接收到的信號通常都是很微弱的，且其中還濕雜有無用或有害的信號，這對電路的正常工作

30、將會造成影響。為了消除這種影響，就需要用濾波器，便有用信號頻率能比較順利地通過，而將無用及有害的信號濾掉，或讓它們受到較大的衰減。用電感器和電容器所組成的濾波器屬無源濾波器，具有成本低、電路簡單的特點。按工作頻率的范圍，可分為低通濾波器、高通濾波器及帶通濾波器。低通濾波器只有低頻信號能通過而高頻信號不能通過;高通濾波器只有高頻信號能通過而低頻信號不能通過;帶通濾波器只有某一個通頻帶范圍內的信號能通過，而在此之外的其他頻率的信號不能通過。

31、</p><p>　　濾波器可廣義地理解為一個信號選擇系統(tǒng)。它讓某些信號成分通過又阻止或衰減另一些成分。在更多地情況下，被窄義地理解為選頻系統(tǒng)，如低通、高通、帶通、帶阻。頻域與時域均衡器也是一種濾波器，通信系統(tǒng)的傳輸媒介如明線、電纜等從特性看也是濾波器。濾波器如系統(tǒng)一樣可分為三類：模擬濾波器、采樣濾波器和數(shù)字濾波器.模擬濾波器（AF）可以是由RLC構成的無源濾波器，也可以是加上運放的有源濾波器，它們是連續(xù)時間系統(tǒng)

32、。采樣濾波器（SF）由電阻、電容、電荷轉移器件、運放等組成，屬于離散時間系統(tǒng)，其幅度是連續(xù)的。開關電容濾波器、電荷耦合濾波器軍屬這類濾波器。數(shù)字濾波器（DF）由加法器、乘法器、存儲延遲單元、時鐘脈沖濾波器及邏輯單元等數(shù)字電路構成。它精度高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題，可以時分復用，能夠完成一些模擬濾波器完成不了的濾波任務。其缺點是需要抽樣、量化、編碼，以及手時鐘頻率所限，所能處理的信號最高頻率還不夠高。另外，由于有限字長效應會造成域設

33、計值的頻率偏差、量化和運算噪聲及極限環(huán)振蕩。</p><p>　　2.2 數(shù)字濾波器的分類</p><p>　　2.2.1 按沖激響應h(n)的長度分類 </p><p>　　分為有限沖激響應（FIR）DF和無限沖激響應（IIR）DF兩種。沖激響應本來是用于模擬系統(tǒng)，指系統(tǒng)對沖激函數(shù)的響應。發(fā)展到數(shù)字濾波器后，工程上仍沿用這個名稱，與單位抽樣響應和單位脈沖響應的說法

34、通用。</p><p>　　2.2.2 按有無遞歸結構分類 </p><p>　　分為遞歸型和非遞歸型。遞歸表現(xiàn)為實現(xiàn)過程中出現(xiàn)反饋回路。即將某些輸出量反饋到原輸入點與原輸入量相加。一般來說，IIR DF 的H(z)有分母，須用遞歸型結構實現(xiàn)；FIR DF 的H(z)無分母，用非遞歸型結構實現(xiàn)。但是FIR DF也可以用遞歸型結構實現(xiàn)。盡管IIR、FFR與遞歸非遞歸有著密切的關系，但它們畢竟

35、是從不同的角度看問題，在概念上不能混為一談。</p><p>　　2.2.3 按頻域特點分 </p><p>　　分為低通濾波器（LP DF）、高通濾波器(HP DF)、帶通濾波器（BP DF）和帶阻濾波器（BS DF）四種。</p><p>　　四、按同時處理的變量的個數(shù)分</p><p>　　分為一維和多維濾波器。一維濾波器的輸入、輸出、

36、沖激響應和頻響分別是x(n)、y(n)、h(n)、和H(ejω),二維濾波器分別是x(n,m)、y(n,m)、h(n,m)和H(ejω1,ejω2) ,三維和三維以上類推。一位濾波器最常用。二維濾波器主要用于圖象處理，其用途日益廣泛。</p><p>　　分類的方法還有很多，比如線性濾波器和非線性濾波器、時變DF和非時變DF、純振幅DF和純相位DF、線性相位DF和非線性相位DF等等。</p><

37、;p>　　2.3 數(shù)字濾波器的一般分析、設計方法</p><p>　　對數(shù)字濾波器的分析，主要是考察它再頻域和時域兩個方面體現(xiàn)的一些特性。</p><p>　　頻域：幅頻特性，相位特性，群延遲特性。 </p><p>　　舍入噪聲（平均噪聲功率、噪聲譜）。 </p><p>　　時域： （1）沖激響應，階躍響 應，對任意輸入的時間響應。

38、</p><p><b>　?。?）極限環(huán)。</b></p><p>　　為了描述和分析這些特性，需要有描述系統(tǒng)的方法，主要有：節(jié)點方程式，混合方程式，狀態(tài)方程式，傳輸函數(shù)。 </p><p>　　從包含的輸入輸出關系信息看，（1）（2）逐漸增多，如能得到（2）的傳遞函數(shù)，則可以推出頻域時域輸入輸出關系特性。從包含的系統(tǒng)結構信息量看，（2）（1

39、）逐漸增多，只要知道節(jié)點方程式，就可畫出系統(tǒng)結構，反之亦然。這集中描述方法式可以相互轉化的，比如從狀態(tài)方程可以推出傳遞函數(shù)。從節(jié)點方程可以推出狀態(tài)方程等等。我們的興趣主要是在輸入輸出關系上，所以只討論傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)H(z)以知后，則可以確定系統(tǒng)的頻響為</p><p>　　其中和分別是幅頻特性和相位特性。對于無失真的傳輸系統(tǒng)， 幅頻特性為常數(shù)，信號通過線性系統(tǒng)后個頻率分量的相對大小保持不變，沒有失相位失真。相

40、位特性為線性，是對應時域方程的時延量為常數(shù)</p><p><b>　　公式2.1</b></p><p>　　即系統(tǒng)對個頻率分量的延遲時間相同，這就保證各頻率分量的相對位置不變，沒有相位失真。</p><p>　　數(shù)字通信對相位的要求比模擬通信要高的多，線性相位時很重要的。數(shù)字系統(tǒng)描述對各頻率分量的相位延遲的函數(shù)于模擬系統(tǒng)一樣，有兩個：<

41、;/p><p><b>　　群時延：</b></p><p><b>　　相時延：</b></p><p>　　群時延特性能反映相頻曲線的線性程度，相時延特性能反映各頻率分量在時延的相對延時。因無相位失真的傳輸條件具有恒群時延和恒相時延，即</p><p>　　群時延=相時延＝常數(shù)</p>

42、<p>　　上面我們討論的時分析數(shù)字濾波器的一般方法，下面來看一個有關數(shù)字濾波器的設計問題。</p><p>　　設計一個數(shù)字濾波器必須經(jīng)過下來步驟：</p><p>　　確定是用IIR DF還是用FIR DF。確定濾波器的傳遞函數(shù)。 </p><p>　　用有限精度算法來實現(xiàn)這個系統(tǒng)函數(shù)（包括選擇運算結構，選擇合適的字長以及有效數(shù)字的處理方法）。 &l

43、t;/p><p>　　實際的技術實現(xiàn)（包括采用通用計算機軟件或專用數(shù)字濾波器硬件來實現(xiàn)，或者是二者結合的方法）。</p><p>　　應該指出，在設計是并不是可以按照上述順序一次性解決的，而是互相牽連，需要上下反復多次才能完成。濾波器的傳遞函數(shù)決定了濾波器的特性。</p><p>　　IIR DF的設計方法大致有兩種。一種是借助模擬濾波器的設計技術，應用模擬濾波器低通原

44、型設計各種數(shù)字濾波器。另一種是計算機輔助設計，也叫最優(yōu)化設計，即在某種最優(yōu)化準則下逼近所希望的響應，下面分兩節(jié)對這兩種設計方法進行介紹。</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的主要性能指標</p><p>　　濾波器有很多種，討論下對信號頻率具有選擇性的濾波器。這又分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。模擬濾波器是在傳統(tǒng)模擬電路中發(fā)展起來的，其實就是RC電路網(wǎng)絡。隨著數(shù)字技術的發(fā)展，數(shù)字濾波器則越

45、來越受到青睞。 </p><p>　　數(shù)字濾波器分為遞歸型和非遞歸型，所謂遞歸即濾波器內部存在反饋回路，這種濾波器對單位沖擊響應可以延續(xù)到無限長的時間，所以也叫 IIR (infinite impulse response filter) ；相應的，非遞歸型即內部不存在反饋，也叫 FIR(finite impulse response filter)，其傳遞函數(shù)不存在除零點意外的極點。數(shù)字濾波器的一般形式為：&l

46、t;/p><p><b>　　公式2.2</b></p><p>　　相應于上面的討論，則a都為零則為IIR，a有非零的則為FIR。顯然，a(0)=1 方便討論和設計濾波器，所以在matlab中濾波器設計都是 a(0)=1。容易看出，無內部反饋的FIR總是穩(wěn)定的，具有IIR所沒有的特點，但也可以證實，客觀模擬電路中，F(xiàn)IR是無法實現(xiàn)的，只有通過數(shù)字處理技術設計，而且，要獲

47、得性能符合要求的FIR，濾波器的階數(shù)必須設計得非常高，比如，一個常用的矩形窗，一般性能下就要求有100階左右來擬合，計算代價太大。一般情況下，n階IIR與2n階FIR性能相同。實際情況下，20階的Butterworth IIR 濾波器可以實現(xiàn)近似理想相位線性。</p><p>　　頻率濾波器大概分為帶通、帶阻、高通、低通。特性不同的模擬濾波器中經(jīng)典濾波器有Butterworth 和 Chebyshev 。其中，B

48、utterworth 濾波器特點是通帶處幅值特性平坦，而 Chebyshev 濾波器則比前者的截至特性要好，但通帶處的幅值有振蕩。前面提到，對于數(shù)字濾波器而言，可以采用不同階數(shù)逼近相應濾波器，濾波器性能還與濾波器的階數(shù)有關，一般而言，階數(shù)越高，則逼近越精確，但計算代價也隨之上升，所以性能與代價總需要尋求一個平衡點。對性能要求一定的情況下，如果對頻率截至特性沒有特殊要求，考慮采用Butterworth IIR濾波器。因為 Chebeshe

49、v 濾波器的波紋可能大多數(shù)情況下不能忍受。</p><p>　　接著我們看看怎么借助 Matlab 設計符合我們需求的Butterworth 數(shù)字濾波器。當然，我們盡可能了解 Butterworth Filter 的原理以及可能的話，再了解數(shù)字濾波器設計的方法理論，但是，我們不必自己動腦筋根據(jù)需求去設計每個系數(shù)，Matlab 內建有設計Filter 的函數(shù)。這里僅僅討論 Butter，其語法格式為：</p&

50、gt;<p>　　[B,A] = butter(N,Wn,S)其中</p><p>　　N 為要求設計的濾波器階數(shù)，該參數(shù)的設定參照前面的討論，如果沒有實時性要求的話，可以定為20，實話，慢～相當?shù)穆?lt;/p><p>　　S 為字符串，表明設計的濾波器類型，low低通/high高通/stop帶阻</p><p>　　Wn 為要求的標準化截至頻率

51、，單位為rad/sample，如果是帶阻濾波器，則Wn為長度為2的向量[w1 w2]。關于標準化的頻率計算為：設要求的頻率為f(Hz)，采樣率為Fs(Hz)，則Wn = (2*pi*f/Fs)/pi = 2*f/Fs，所以，標準化截至頻率在區(qū)間[0,1]內。</p><p>　　濾波器設計出來了啦，其實就是兩組系數(shù)b(i)、a(j)，其中，i、j為從0到N的自然數(shù)（各位不要挑剔，我印象中新的教材里已經(jīng)把0歸到自然

52、數(shù)里了）。對應上面濾波器一般形式里的參數(shù)，前面已經(jīng)提到，一般a(0)=1。</p><p>　　濾波器既然設計出來了，理應對其性能進行分析，以檢驗其是否能達到預期的效果?？梢允褂肕atlab 提供的內建函數(shù)freqz，可以求得濾波器系統(tǒng)的頻率相應特性。其使用語法格式為：</p><p>　　[H,F] = freqz(B,A,N,Fs)其中B/A 提供濾波器系數(shù)</p>&l

53、t;p>　　N 表示選取單位圓的上半圓等間距的N個點作為頻響輸出；</p><p>　　Fs 為采樣頻率，該參數(shù)可以省略</p><p>　　H 為N個點處的頻率響應復值輸出向量，其模即為頻響幅值曲線幅值20log10(abs(H))DB，其幅角angle(H)即為頻響相位曲線相位值。</p><p>　　F 為與第N點處對應的頻率值f（Hz），如果Fs

54、參數(shù)省略時，則頻率值w為rad/sample，w = 2*pi*f/Fs 公式③</p><p>　　有了這組系數(shù)，就可以按照前面的濾波器一般形式的表達式對數(shù)據(jù)進行依次求值了，也就是濾波計算了。不過，別忙，其實Matlab里已經(jīng)內建了濾波器函數(shù)filter，其語法格式為：</p><

55、;p>　　Y = filter(B,A,X)其中B/A 提供濾波器系數(shù)，X為濾波前序列，Y為濾波結果序列。</p><p>　　設計合適的濾波器對待分析處理的信號進行濾波預處理，可以有效的去除信號中的噪音以及非目標頻段信號，從而使得信號背景干凈，突出信號本身，提高目標處理的算法有效性，降低算法難度。例如，對語音信號，可以去除大多數(shù)的輔音以及高頻共振峰。</p><p><b&g

56、t;　　第三章 設計實現(xiàn)</b></p><p>　　3.1 濾波器及Lab VIEW實現(xiàn)</p><p>　　濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以慮除干擾噪聲或進行頻譜分析。同樣，在測試VI中，也可以利用Lab VIEW提供的濾波器VI對信號進行去噪或提取特定頻率信號。</p>

57、<p>　　濾波器技術在測試技術與儀器科學中是很重要的，是測試工程人員的基本功。濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器，分別處理模擬信號和數(shù)字信號。在測試VI中當然是使用數(shù)字濾波器。由于濾波器的分類方法很多，其參數(shù)類型也比較多，所以，在Lab VIEW中應用數(shù)字濾波器VI時參數(shù)設置比較復雜，使用中需要注意的也比較多，要求對濾波器的基本楷念有一個比較清晰的理解。</p><p>　　現(xiàn)在我們首先對濾波器的基

58、本概念作一了解，再詳細介紹Lab VIEW中濾波器的應用。理想濾波器是一個理想化的模型。一個理想濾波器應在所需的帶通內幅頻特性為常直，相頻特性為通過原點的直線；在帶通外幅頻特性直應為零，這樣才能使帶通內輸入信號的頻率成分得以不失真地傳輸，而在帶通外的頻率成分全部衰減掉。實際濾波器的特性曲線沒有明顯的轉折點，通頻帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此需要用更多的參數(shù)來描述實際濾波器的性能，主要參數(shù)有紋波幅度，截子頻率，寬帶，品質等因素。</p

59、><p>　　和其他編程語言一樣，LabVIEW中提供了許多現(xiàn)成的濾波器模板，合理設置參數(shù)即可方便地用來進行信號慮波。下面我們來了解LabVIEW中的濾波器VI。</p><p>　　LabVIEW中的濾波器VI也分成了ExpressVI，波形VI和基本功能VI 3個層次。其中ExpressVI中的濾波器VI設置了針對所有類型的濾波器的選項，波形VI則分成了IIR濾波器和FIR濾波器兩個VI，

60、而在基本功能VI的子模板中，主要根據(jù)濾波器的最佳逼近特性提供了比較豐富的濾波器VI。</p><p>　　3.2 在labVIEW中設計濾波器</p><p>　　利用LABVIEW設計一個數(shù)字濾波器，可以實現(xiàn)IIR、FIR等數(shù)字濾波功能，參數(shù)可調。進行了濾波器的設計。將兩路不同頻率的信號先疊加，然后通過濾波，將一路信號濾除，而保留有用信號。疊加即將兩個信號相加，用到了一個數(shù)學公式。然后信

61、號進入到一個選擇結構，選擇結構中有兩路分支，每路分支均有一個濾波模塊，其中一個為IIR濾波器，另一個為FIR濾波器，通過按鈕可選擇IIR或是FIR.每個濾波模塊都可通過外部按鈕對其參數(shù)進行調整，各個過程的波形都用波形圖顯示出來。如圖3-1所示為數(shù)字濾波器的程序框圖。</p><p>　　圖3-1 濾波器程序框圖</p><p>　　圖中可看出，整個程序處于一個大循環(huán)中，這樣在各時刻，當調整

62、參數(shù)時，程序也會即時更新，按停止按鈕時，濾波器停止工作。</p><p>　　如圖3-2所示為濾波器的前面板，四個波形顯示器分別顯示不同時刻的波形，而IIR和FIR的濾波參數(shù)調整按鈕都在顯示在面板上，還可以選擇濾波器的類型。</p><p>　　通過IIR和FIR滑動選擇按鈕可先選擇所需用的濾波器，然后對相應的濾波器進行設置。拓撲結構設置，選擇濾波器類型，如低通或高通，截止頻率設置等待。&

63、lt;/p><p>　　該設計可對任意頻率的信號進行濾波，只須濾波前弄清楚待濾波信號的各參數(shù)，然后選擇合適的濾波器并設置適當?shù)膮?shù)即可。</p><p>　　圖3-2 數(shù)字濾波器前面板</p><p>　　3.3調試過程及結果</p><p>　　現(xiàn)對已設計的濾波器的功能進行驗證，看看其是否能完成相應的濾波功能。</p><p

64、>　　現(xiàn)將一路20Hz的正弦波和一路100Hz的正弦波進行疊加，然后濾除其中一路。只對低通和高通進行舉例驗證。</p><p>　　3.3.1 低通濾波功能</p><p>　　用低通濾波器將100Hz的信號濾除，保留20Hz的信號。用IIR巴特沃斯濾波器，設置為低通類型如圖3-3。</p><p><b>　　圖3-3低通濾波器</b>

65、</p><p>　　因為要保留20Hz的信號，故截止頻率要設置在20Hz以上，設置為25Hz，調整階數(shù)為11階，其余參數(shù)不用設置，則濾波的波形如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 IIR低通濾波效果</p><p>　　由圖3-4觀察可知，濾波后的波形跟疊加前的20Hz信號波形一致，即濾波效果比較理想，20Hz被完全保留，而100Hz被完全濾除。<

66、;/p><p>　　當選用FIR濾波器的時候也可以達到理想的效果，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 FIR低通濾波效果</p><p>　　其參數(shù)如圖中FIR參數(shù)，拓撲結構為Windowed FIR，抽頭數(shù)100，最低通帶50Hz。</p><p>　　3.3.2 高通濾波功能</p><p>　　用高通濾

67、波器將20Hz的信號濾除，保留100Hz的信號。用IIR巴特沃斯濾波器，設置為如圖3-6所示的高通類型。</p><p>　　圖3-6 高通濾波器</p><p>　　先選擇IIR的巴特沃斯低通濾波器，其參數(shù)有低截止頻率設置為90，階數(shù)設置為9階，濾波效果如圖3-7。</p><p>　　圖3-7 IIR 高通濾波器</p><p>　　同理

68、可用FIR進行高通濾波，實現(xiàn)比較理想的濾波效果，如圖3-8所示。</p><p>　　其參數(shù)為最低通帶63Hz，抽頭數(shù)61。</p><p>　　圖3-8FIR高通濾波器</p><p>　　3.3.3 其他類型濾波器</p><p>　　經(jīng)過驗證，其他類型的濾波器，如IIR帶通和帶阻，F(xiàn)IR帶通和帶阻的功能只須選擇適當?shù)耐負浣Y構，設置適當?shù)?/p>

69、濾波參數(shù)，均能理想的濾波，在此不一一敘述。</p><p><b>　　總結與展望</b></p><p>　　我在畢業(yè)設計的過程中，學習了濾波器的概念及工作原理，閱讀了虛擬儀器的相關書籍和資料，在了解了LabVIEW虛擬儀器軟件的開發(fā)，結合以前學過的濾波器進行了相關的設計，掌握了虛擬儀器的開發(fā)流程，熟悉了編譯環(huán)境，在老師的悉心指導下，做了個簡單的濾波器分析.<

70、/p><p>　　在近兩個月的學習時間中，我通過自學和同學們的幫助以及查閱資料，我基本上完成了這次強化訓練的要求。最終把Lab VIEW濾波器的設計完成。在整個過程中，學習到了不少新的知識點。Lab VIEW虛擬儀器開發(fā)平臺是之前不曾接觸的軟件，在本次設計中，我先花了近兩周的時間來學習Lab VIEW知識，對其中的各個器件和VI模塊的功能和用法都一一研究，邊學習，邊實際操作，很快便具備了基本的LabVIEW編程能力，

71、在正式開始設計濾波器之前，我便按照指導書進行了一些簡單的VI設計，這個過程使我的個人能力提高不少。之后我開始著手了濾波器的設計工作，我開始查閱資料，學習濾波器的相關知識，對濾波器的原理進行深刻學習，對各種濾波器的功能和用法都仔細研究，對低通、高通、帶通、帶阻濾波器的各參數(shù)意義都理解。在這一切準備工作之后，我便在開發(fā)平臺上進行設計，過程中不斷遇到新問題，都在深入學習后解決了，在不斷地更改和嘗試后終于達到基本要求。</p>&

72、lt;p>　　本次設計是對我很好的一次磨練，我克服各種因素，堅持學習，堅持獨立完成任務。我不僅學到了新知識，而且對WORD軟件更加熟練，對課設文檔的撰寫方法也又一次鞏固。</p><p>　　現(xiàn)在，我對基于LabVIEW的虛擬儀器設計具備濃厚的興趣，今后將進行不懈的探究，希望能熟練地掌握它。而這一次，我發(fā)現(xiàn)學習好它的一個有效方法就是動腦動手進行一些開發(fā)和設計，在開發(fā)和設計的過程中去思考和學習，邊學邊用，則能

73、真正的理解原理和過程，達到掌握相關知識點的目的。當前虛擬儀器應用非常廣泛，其數(shù)字信號處理功能在各行各業(yè)大顯身手，故電子相關專業(yè)的學生掌握它的基本原理和應用十分必要，將來從事相關專業(yè)的工作，它也是一項技術和能力。所以，今后我亦將繼續(xù)學習相關知識，做到精益求精。</p><p>　　在這期間，我學會了許多以前沒有接觸過的知識和經(jīng)驗。在老師的帶領下，我學會了從一個對LabVIEW7.1的基本概念都不知道學生，到現(xiàn)在能夠

74、熟練的運用LabVIEW7.1了，知道LabVIEW7.1的用途，以及虛擬儀器作用，還有對濾波器更加的了解了。通過這次學習，我所得的收獲非常大，在人員溝通交流、學習等多方面鍛煉了自己的能力，對出生社會有很大的益處。同時也克服了以前遇到困難就退縮的人?，F(xiàn)在我能積極面對，勇于進取一切，克服一切困難的精神。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　

75、[1] 楊樂平,李海濤 編著.LabVIEW高級程序設計.清華大學出版社，2003</p><p>　　[2] 鄧焱,王磊 編著.LabVIEW7.1測試技術與儀器應用.機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[3] 張愛平 編著.LabVIEW入門與虛擬儀器.電子工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[4] Robert H. Bishop 編著

76、.LabVIEW 6i 實用教程.電子工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[5] 孫曉云,郭立煒 編著.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用.電子工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6] 侯國屏，葉齊鑫 主編.基于LABVIEW7.1編程與虛擬儀器設計.北京：清華的大學出版社，2004</p><p>　　[7] 鄒艷忠，朱濤等.

77、基于LabVIEW的數(shù)字濾波器的設計與應用.微計算機信息，2008年第24卷第9-1期</p><p>　　[8] 丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003</p><p>　　[9] Instrumnts Catalogue.U.S. National Instruments，2003</p><p>　　[10] 周偉林，楊

78、華勇，李清峰.基于LabVIEW的數(shù)字濾波器的設計[J].微計算機信息，2006，5-1：163-164</p><p>　　[11] 陳錫輝，張銀鴻編著.LabVIEW8.20程序設計從入門到.北京：清華大學出版社，2007.7</p><p>　　[12] 程學慶等編著. LabVIEW圖形化編程與實例應用.北京：中國鐵道出版社，2005.3</p><p>　

79、　[13] 付麗琴等編著. 數(shù)字信號處理原理與實現(xiàn).北京：國防工業(yè)出版社，2004.6</p><p>　　[14] 宋壽鵬編著. 數(shù)字濾波器設計及工程應用. —鎮(zhèn)江：江蘇大學出版社，2009.6</p><p>　　[15] 周求湛，錢志鴻，劉萍萍等，虛擬儀器與LabVIEW7.1程序設計.北京：北京航空航天大學出版社，2004</p><p><b>

80、　　致謝</b></p><p>　　我要衷心感謝我的導師毛小燕老師，本文是在我的導師毛小燕的悉心指導下完成的。在學習和研究上，毛老師給我們創(chuàng)造了一個和諧自由的環(huán)境，給我們充分的積極性和發(fā)揮的空間。值此論文成稿之際，謹向毛老師致以崇高的敬意。</p><p>　　另外我要感謝我的師兄弟們，他們的討論擴展了我的知識面，與他們融洽的學習和交流使我受益非淺。他們的關心、幫助、支持和鼓

81、勵，使我克服了許多學習上的難關，也度過了許多美好的時光，留給我了難忘而有意義的大學生活，在論文順利完成之際，謹向他們致以我發(fā)自內心的深深謝意。</p><p>　　在此，我要感謝我深愛的父母，他們?yōu)槲业某砷L付出了無盡的心血。他們給我莫大的鼓勵與信任，將使我在風雨成長路上不斷前進。我還想感謝多年來教育我的電子科技大學機械學院的老師們，感謝學院對我的培養(yǎng)。</p><p>　　最后，我要向參加