基于LABVIEW的虚拟数字滤波器设计

目录1．LABVIEW相关简介····························11.1虚拟仪器概念······························11.2虚拟仪器的工作原理···························11.3LabVIEW介绍·····························22．数字滤波器的原理····························42.1几种基本的滤波器类型介绍························42.2数字滤波器·······························42.3数字滤波器的分类····························53.滤波器方案设计及实现···························64.调试过程及结果······························84.1低通滤波功能······························84.2高通滤波功能·····························104.3其他类型滤波器····························125.心得体会································126.参考文献································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LabVIEW和LabWindows/CVI。本次设计即要用到LabVIEW。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据分析武汉理工大学《能力拓展训练》报告书2功能。图1虚拟仪器的功能模块1.3LabVIEW介绍LabVIEW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，LabVIEW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。LabVIEW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。LabVIEW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LabVIEW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。LabVIEW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LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。LabVIEW是真正的32位编译器。像其他软件一样，LabVIEW提供了Windows，UNIX，Linux和Macintosh等多种版本。在安装LabVIEW软件后，从开始菜单中运行“NationalInstrumentsLabVIEW7.1”，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LabVIEW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2LabVIEW对话框在LabVIEW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Greatenew：中，树形控件用于选择新建文档类型。其中，BlankVI用于建立一个新程序；VIfromTemplate按类型列出LabVIEW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；OtherDocumentTyplate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，Frontpanelpreview和Blackdiagrampreview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3LabVIEW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，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。采武汉理工大学《能力拓展训练》报告书5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δ（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。IIRDF和FIRDF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，IIRDF的H(z)有分母，须用递归型结构实现；FIRDF的H(z)无分母，用非递归型结构实现。但是FIRDF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（LPDF）、高通滤波器(HPDF)、带通滤波器（BPDF）和带阻滤波器（BSDF）四种。武汉理工大学《能力拓展训练》报告书6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2π，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-4kHz20kHz即f24kHz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0～20kHz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ω介于0～π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ω，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0～0.1π,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(ejω),二维滤波器分别是x(n,m)、y(n,m)、h(n,m)和H(ejω1,ejω2),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，用到了一个数学武汉理工大学《能力拓展训练》报告书7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。武汉理工大学《能力拓展训练》报告书8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1