基于labview的濾波器課程設(shè)計報告

1、<p>　　一 數(shù)字濾波器在LABVIEW上的實現(xiàn)</p><p>　　1 LabVIEW的數(shù)字濾波器工具</p><p>　　LabVIEW開發(fā)環(huán)境提供了大量的數(shù)字濾波VI和數(shù)字濾波器開發(fā)工具。在其Signal Processing模板中包含了SignalGeneration(信號產(chǎn)生)和Filters(濾波器)等子模板，其中SignalGeneration子模板中存放了可以

2、生成正弦波形、脈沖濾形、隨機噪聲波形等各種仿真信號的功能模塊，用它們作為輸入信號時可與由數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)對實際信號取樣獲得的離散時間序列等效。Filters子模板則提供了十幾種濾波器的“圖標”其中用于設(shè)計IIR濾波器的有ButterworthFilter. vi、ChebyshevFilter. vi、BasselFil-ter. vi等，用于設(shè)計FIR濾波器的有FIRW indow Filter. vi、Equi-Ripple L

3、owPass. vi、Equi-RippleHighPass. vi、Equi-RippleLowPass. vi、Equi-Ripple BandPass. vi等。通過設(shè)置圖標的采樣頻率、濾波器階數(shù)、低端截止頻率、高端截止頻率及濾波類型等參數(shù)可以產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字濾波器。用沖激函數(shù)Impulse Patte</p><p>　　2 LABVIEW中濾波器參數(shù)的設(shè)計</p><p>　　在

4、LabVIEW中設(shè)計虛擬數(shù)字濾波器，關(guān)鍵問題是要知道濾波器圖標的調(diào)用路徑和合理設(shè)置濾波器的有關(guān)參數(shù)。比如,要設(shè)計一個虛擬數(shù)字式巴特沃斯濾波器，其設(shè)計過程是在Functions選項板下依次選擇Analyze Signal Processing Filters子選項板，最后在Filters子選項板中選擇Butterworth Filter.vi圖標，見圖4-1。選中后在流程圖中便出現(xiàn)巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter.vi

5、)圖標，如圖4-2。然后,設(shè)置But-terworth Filter.vi的相關(guān)參數(shù),圖標的左側(cè)為輸入端口參數(shù)右側(cè)為輸出端口參數(shù)。</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　圖4-2</b></p><p>　　二 、數(shù)字濾波器的設(shè)計,調(diào)試及功能演示</p><p>

6、<b>　　1濾波流程圖及設(shè)計</b></p><p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　2 FIR和IIR各自的優(yōu)缺點</p><p>　　根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)llR濾波器和有限長沖激響應(yīng)FIR濾波器。無限長單位沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的優(yōu)點

7、是可以利用模擬濾波器設(shè)計的結(jié)果，而模擬濾波器的設(shè)計有大量圖表可查，方便簡單。它的缺點是相位的非線性;若需要線性相位，則要采用全通網(wǎng)絡(luò)進行相位校正。圖像處理以及數(shù)據(jù)采集傳輸都要求濾波器具有線性相位特性。而有限長單位沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)線性相位，又可具有任意幅度特性。兩者都各有特點FIR濾波器系統(tǒng)總是穩(wěn)定的、易于實現(xiàn)線性相位、允許設(shè)計多通帶或多阻帶濾波器，IIR濾波器則可以用較低的階數(shù)獲得較高的選擇性，在相同門級規(guī)模和相同時

8、鐘速度下可以提供更好的帶外衰減特性。</p><p>　　（1）FIR濾波器的沖激響應(yīng)是有限長序列，其系統(tǒng)函數(shù)為一個多項式,它所含的極點多為原點，所以FIR濾波器永遠是穩(wěn)定的。有限長單位沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器可以具有嚴格的線性相位特性，同時又可以具有任意的幅度特性；此外，F(xiàn)IR濾波器的單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而具有穩(wěn)定性；最后，F(xiàn)IR濾波器由于單位沖擊響應(yīng)是有限長的，可以用快速傅里葉變換FFT實現(xiàn)信號的過

9、濾。FIR濾波器的橫截型結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。</p><p><b>　　圖5-2</b></p><p>　?。?）IIR濾波器是單位沖激響應(yīng)是無限長序列；可以用較少的階數(shù)獲得很高的選擇特性，所用的存儲單元少，運算次數(shù)少，具有經(jīng)濟、高效的特點，但選擇性越好，相位的非線性越嚴重。因此，在相位要求不敏感的場合，如語音通信等，選用IIR濾波器。巴特沃斯濾波器就是IIR濾波

10、器中的一種典型的濾波器，是一種所謂最平通帶特性逼近理想特性的濾波器，其頻率特性曲線無論在通帶和阻帶都是頻率的單調(diào)函數(shù)；巴特沃斯濾波器過渡帶比較寬,但是通帶非常平直。其最大特點是響應(yīng)平滑，單調(diào)衰減。</p><p>　　( 3 ) 為了體現(xiàn)這兩種濾波器不同的濾波效果，所以本次濾波器設(shè)計包涵了兩個濾波器，分別是FIR加窗濾波器跟巴特沃斯濾波器。這兩種濾波器被一起放于一個條件結(jié)構(gòu)中，在濾波器運行中,在前面板可以選項卡的

11、兩個選擇切換到不同的濾波器，然后通過波形圖就可以很直接的觀察到兩種濾波器不同的濾波效果。</p><p><b>　　圖5-3</b></p><p><b>　　圖5-4</b></p><p><b>　　3 前面板的設(shè)計</b></p><p>　　前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值

12、和觀察輸出量，用于模擬真實濾波器的前面板。虛擬數(shù)字濾波器的前面板按照系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有6個數(shù)字控件，用來引導(dǎo)用戶完成各種參數(shù)的設(shè)置，如信號頻率、采樣頻率，采樣點數(shù)、低截止和商截止頻率等，還設(shè)計了4個TextRing控件，如信號波形、窗函數(shù)類型、濾波逼近準則等選擇。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬濾波器控制軟件的核心。在設(shè)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(guān)等控鍵來控制虛擬濾波器的工作[5]。</

13、p><p>　　本次設(shè)計的數(shù)字濾波器前面板可以分為四個部分，一是原始信號的讀取及仿真信的的疊加還有測量文件的保存，二是信號及功率譜的波形圖，三是關(guān)于濾波器各種參數(shù)的設(shè)置及顯示，這部分對于濾波器信號的濾波效果是直接影響的，各種參數(shù)設(shè)置是否合理直接關(guān)系到信號濾波的效果，如果不慎，往往會造成效果不明顯或錯誤。如下圖，就是因為濾波器的參數(shù)設(shè)置不合理，倒致濾波器無法對信號進行濾處理。</p><p>&

14、lt;b>　　圖5-5</b></p><p><b>　　4 程序框圖的設(shè)計</b></p><p>　　程序框圖即為數(shù)字濾波器的編程語言，是與前面板相對應(yīng)的圖形程序，程序框圖與前面板有著本質(zhì)的區(qū)別，前者是直接面對于濾波器的,濾波器信號的采集，疊加，濾波器類型的選擇，設(shè)置功率譜分板等都是通過用圖形編程語言G語言編寫的；而前面板是直接面對用戶的，其主

15、旨是在于界面的美化，方便，提供友好的人機交換界面[5]。</p><p>　　框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構(gòu)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。框圖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(yīng)。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(diào)。下面的兩張圖就是本次設(shè)計的數(shù)字濾波器的后面板即程序代碼框圖。</p><p>&

16、lt;b>　　圖5-6</b></p><p><b>　　圖5-7</b></p><p>　　5 濾波器各種參數(shù)的調(diào)試</p><p>　　filter type：濾波器類型，按下列值指定[4]</p><p>　　0：Lowpass低通</p><p>　　1：Highpa

17、ss高通</p><p>　　2：Bandpass帶通</p><p>　　3：Bandstop帶阻</p><p>　　X：需要濾波的信號序列(欲處理數(shù)據(jù))</p><p>　　Sampling frep：fs產(chǎn)生X序列時的采樣頻率。必須大于0，缺省值時1。如果它小于等于0，則輸出序列filreredX為空，并返回一個錯誤.采樣頻率的設(shè)&l

18、t;/p><p><b>　　置應(yīng)根據(jù)采樣定理。</b></p><p>　　High cutoff freg：fh高端截止頻率。當(dāng)濾波器類型為0(lowpass)或1(highpass)時忽略該參數(shù)。</p><p>　　Low cutoff freg：fl:低端截止頻率。它必須滿足Nyquist準則，根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩

19、倍，反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半，所以0≤fl<0.5fs如果該條件不滿足，則輸出序列FileredX為空，并返回一個錯誤，fl的缺省值是0.125。</p><p>　　Order：濾波器的階次,其值必須為大于0的整數(shù)，缺省值是2。</p><p>　　Init/cont：內(nèi)部狀態(tài)的初始化控制。當(dāng)其為F

20、ALSE(default)，初態(tài)為0；當(dāng)其為TRUE，濾波器初態(tài)。為上一次調(diào)用該VI的最后狀態(tài)。為了對一個大數(shù)據(jù)量的序列進行濾波，可以將其分割為較小的塊。設(shè)置這個狀態(tài)為FALSE處理第一塊數(shù)據(jù),然后改設(shè)置為TRUE繼續(xù)對其余的數(shù)據(jù)塊濾波。</p><p>　　Filtered X：濾波后的數(shù)據(jù)(濾波樣本的輸出數(shù)組)。</p><p>　　( 1 ) FIR加窗濾波器</p>

21、<p>　　在對脈搏信號進行濾波的時候，平滑窗對濾波器的基本一樣，但選擇不同的濾波器的通帶對信號的濾波就影響很大，下面是幾種不同的參數(shù)設(shè)置,其中在Lowpass通帶的濾波效果最好。</p><p>　　( 2 ) 巴特沃斯濾波器</p><p>　　在選用巴特沃斯濾波器時,不同的通帶數(shù)據(jù)設(shè)置如下:</p><p><b>　　表5-1</b

22、></p><p><b>　　6 結(jié)果分析</b></p><p>　?。?1 ） 信號波形分析</p><p>　　下圖是脈搏信號濾波前跟濾波后的波形圖對比，很明顯，濾波前，波形很不穩(wěn)定，有很多干擾，不能很好的對脈搏信號進行生理的分析。經(jīng)過濾波器的濾波后，波形變得穩(wěn)定了，變得非常的平滑，這是因為在原始信號經(jīng)過濾波器時，把因各種干擾的噪

23、聲信號過濾掉了。</p><p><b>　　圖6-1</b></p><p>　?。?2 ） 功率譜分析</p><p>　　頻譜分析就是將信號源發(fā)出的信號強度按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，然后再觀察其變化規(guī)律，以便進行研究。因為經(jīng)過濾濾器對信號進行濾進，信號中的高頻都不能通過，所以，濾波后的信號功率譜比較平滑。如下圖</p>

24、;<p><b>　　圖6-2</b></p><p><b>　　三 結(jié)束語</b></p><p>　　虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)和傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是全新概念的最新一代測量儀器?；贚abVIEW設(shè)計的虛擬儀器具有高效、靈活、界面友好、集成性強、使用方面、設(shè)備費用低、用戶自定義功能等諸多優(yōu)點,并隨計算機技術(shù)的發(fā)展而

25、迅速發(fā)展。濾波器可以通過編程實現(xiàn)各種不同系統(tǒng)，滿足不同的需要，又可以隨時改動系數(shù)，調(diào)整濾波器參數(shù)，選擇最佳方案。使用LabVIEW軟件平臺開發(fā)電氣參數(shù)測量儀等虛擬儀器。實現(xiàn)了更高的效率，節(jié)省了更多的硬件開銷，方便了系統(tǒng)的維護和減輕了儀器更新的負擔(dān)。使用虛擬儀器逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器已經(jīng)成為測試領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。但是在實際應(yīng)用中，仍要根據(jù)具體情況進行程序的優(yōu)化和軟硬件的結(jié)合，使虛擬儀器發(fā)揮更高的性能。</p><p>&l

26、t;b>　　七 參考文獻</b></p><p>　　[1] 張愛平 Labview入門與虛擬儀器 北京:電子工業(yè)出版社,2004-5.</p><p>　　[2] 楊樂平,李海濤,肖相生. LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.</p><p>　　[3] 雷振山·LabVIEW7 Express