【正文】 并且要同時(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù) ③ 采樣周期必須準(zhǔn)確均勻地通過(guò)數(shù)據(jù)樣本 下列情況可以不使用 Buffer IO ① 數(shù)據(jù)組短小例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) ② 需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支 2 觸發(fā) Triggering 觸發(fā)涉及初始化終止或同步采集事件的任何方法觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生軟件觸發(fā)最容易你可以直接用軟件例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)停止數(shù)據(jù)采集硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器控制了采集事件的時(shí)間分配有很高的精確度硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部 觸發(fā)當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖這是內(nèi)部觸發(fā)采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡這是外部觸發(fā)許多儀器提供數(shù)字輸出 常稱為 trigger out 用于觸發(fā)特定的裝置或儀器在這里就是數(shù)據(jù)采集卡 下列情況使用軟件觸發(fā) 用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確 下列情況使用硬件觸發(fā) ① 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確 ② 用戶需要削減軟件開(kāi)支 采集事件需要與外部裝置同步 傳感器 傳感器部分是跟外界溝通的門戶負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息如光壓力溫度聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象的信號(hào)來(lái)源已經(jīng)是變換好了的電信號(hào)所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒(méi)有得到具體體現(xiàn)但是這部分是設(shè)計(jì)過(guò)程中必需要考慮的 32 信號(hào)處理理論 按沖激響應(yīng) h n 的長(zhǎng)度分類 分為有限沖激響應(yīng) FIRDF和無(wú)限沖激響應(yīng) IIRDF兩種沖激響應(yīng)本來(lái)是用于模擬系統(tǒng)指系統(tǒng)對(duì)沖激函數(shù)δ t 的響應(yīng)發(fā)展到數(shù)字濾波器后工程上仍沿用這個(gè)名稱與單位抽樣響應(yīng)和單位脈沖響應(yīng)的說(shuō)法通用 IIR DF 和 FIR DF 在特性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法運(yùn)用場(chǎng)合等方面均不相同本章及下一章將分別對(duì) IIR DF 和 FFR DF 的設(shè)計(jì)進(jìn)行 論述 按有無(wú)遞歸結(jié)構(gòu)分類 分為遞歸型和非遞歸型遞歸表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)過(guò)程中出現(xiàn)反饋回路即將某些輸出量反饋到原輸入點(diǎn)與原輸入量相加一般來(lái)說(shuō) IIR DF 的 H z 有分母須用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) FIR DF 的 H z 無(wú)分母用非遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)但是 FIR DF 也可以用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比如 H z 1z1z2z3 可以改寫然后用遞歸型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 因此盡管 IIRFFR 與遞歸非遞歸有著密切的關(guān)系但它們畢竟是從不同的角度看問(wèn)題在概念上不能混為一談 按頻域特點(diǎn)分 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 這里要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是數(shù)字濾波器的頻響是周期的其重復(fù)周期是采樣頻率 f 或者數(shù)字頻率 2π且在每一周期內(nèi)幅頻特性具有對(duì)稱性比如采樣頻率 f 8000Hz數(shù)字帶通的通帶是 300～ 3400Hz那么它的重復(fù)周期為 8000Hz由對(duì)稱性可知 4600～ 7700Hz 也是通帶由周期性可知 8300～ 11400Hz 也是通帶等等因此如果你想從 0～ 20kHz的信號(hào)中慮出 1～ 4kHz的頻率成分那么在 0～ 20kHz的頻率范圍內(nèi)帶通濾波器應(yīng)該只有 1～ 4kHz 的通帶因?yàn)轭l響的周期為采樣頻率 f 所以在 f內(nèi)與 1～ 4kHz 相對(duì)稱的通帶 f4kHz～ f1kHz 必須在 20kHz 的頻率之外應(yīng)有 f4kHz 20kHz 即 f 24kHz 則此時(shí)帶通濾波器的通帶范圍為 1～ 4kHz20～ 23kHz25～ 28kHz 從而保證了在 0～ 20 kHz 的頻率范圍內(nèi)只有 1～ 4kHz 的頻率成分可以通過(guò)該濾波器 因此所謂低通高通帶通帶阻都是指頻率 f介于 0～ f2或數(shù)字頻率ω介于 0～π的那一段幅頻特性而言的也就是說(shuō)數(shù)字濾波器處理的頻率應(yīng)該小于 f2 關(guān)于數(shù)字頻率ω一定要注意它是真實(shí)頻率于采樣頻率之比說(shuō)一個(gè)數(shù)字頻率低通的帶通是 0～ 01π則時(shí)鐘為 1Hz時(shí)是指 0～ 50Hz時(shí)鐘為 2Hz時(shí)是指 0～ 100Hz時(shí)鐘為 100kHz 時(shí)是指 0～ 5kHz 是相對(duì)頻率 處理的變量的個(gè)數(shù)分 分為一維和多維濾波器一維濾波器的輸入輸出沖激響應(yīng)和頻響分別是 x n y n h n 和 H ejω 二維濾波器分別是 x nm y nm h nm 和 H ejω 1ejω 2 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 分類的方法還有很多比如線性濾波器和非線性濾波器時(shí)變 DF 和非時(shí)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 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) IIR 無(wú)限長(zhǎng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 一 DF 按頻率特性分類可分為低通高通帶通帶阻和全通 1 表示為模擬角頻率T 2 為周期 3 范圍這是因?yàn)橐廊佣ɡ韺?shí)際頻率特性只能為抽樣頻率的 一半 二 DF 的性能要求低通為例 1 0 通帶截止頻率 阻帶截止頻率 IIR 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 一個(gè)截止頻率為 rad／ s 的理想數(shù)字低通濾波器其傳遞函數(shù) 表 達(dá)式是 相應(yīng)的單位取樣響應(yīng)為 由式 1 和 2 可以看出這個(gè)濾波器在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的因?yàn)闆_激響應(yīng)具有無(wú)限性和因果性為了產(chǎn)生有限長(zhǎng)度的沖激響應(yīng)函數(shù)我們?nèi)禹憫?yīng) h n 長(zhǎng)度為Ⅳ其系數(shù)函數(shù)為 H z 313 用 h n 表示截取 h n 后沖激響應(yīng)即 h n h n W n 式子中 W n 為窗函數(shù)長(zhǎng)度為 N 當(dāng) t N 一 1 ／ 2 時(shí)截取的一段 h n 對(duì) N 一 1 ／ 2 對(duì)稱可保證所設(shè)計(jì)的濾波器具有線性相位 一般來(lái)說(shuō) FIR 數(shù)字濾波器輸出 Y n 的 z 變換形式 y z 與輸入 n 的 z 變換形式之間的關(guān)系如下 314 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示 Xn h0 h1 hN2 hN1 圖 31 卷積型 FIR 濾波器 從上面的 z變換和結(jié)構(gòu)圖可以很容易得出 FIR濾波器的差分方程表示形式對(duì)式 4 進(jìn)行反 z 變換可得 315 式 314 為 FIR數(shù)字濾波器的時(shí)域表示方法其中 n 是在時(shí)間 n的濾波器的輸入抽樣值根據(jù)式 5 即可對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì) 從上面的公式可以看出在對(duì)濾波器實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)過(guò)程的運(yùn)算量很大設(shè)計(jì)完成后對(duì)已設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)進(jìn)行校核運(yùn)算量也很大并且在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的過(guò)程中要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷地調(diào)整以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化在這種情況下要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算單純靠公式計(jì)算和編制簡(jiǎn)單的程 序很難在短時(shí)間內(nèi)完成而利用 LabVIEW 工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)則可以快速有效地設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器大大減 少計(jì)算量 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)包括三個(gè)步驟 1 按照實(shí)際任務(wù)的要求確定濾波器的性能指標(biāo) 2 用一個(gè)因果穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo) IIR 系統(tǒng)函數(shù)也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近 3 利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)包括結(jié)構(gòu)選擇字長(zhǎng)選擇等 有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 其差分方程為 FIR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位然而由于 FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)所以只能用較高的階數(shù)達(dá)到高選擇性對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)FIR 濾波器所要求的階數(shù)可以比 IIR 濾 波器高 510 倍成本較高信號(hào)延時(shí)也較大 FIR 濾波器可以用非遞歸方法實(shí)現(xiàn)有限精度的計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生振蕩同時(shí)由于量化舍入以及系數(shù)的不準(zhǔn)確所引起的誤差的影響比 IIR濾波器要小得多再者 FIR濾波器可采用 FFT 算法在相同階數(shù)下運(yùn)算速度可以快得多 FIR 濾波器沒(méi)有現(xiàn)成設(shè)計(jì)公式窗函數(shù)法僅僅可以給出窗函數(shù)的計(jì)算公式但計(jì)算通阻帶衰減仍無(wú)顯式表達(dá)式其他大多數(shù)設(shè)計(jì) FIR 濾波器的方法都需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) FIR 濾波器則易于適應(yīng)某些特殊應(yīng)用如構(gòu)成微分器或積分器或用于巴特沃斯切比雪夫等逼近不可能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的情況例如由于某些原因要求 三角形振幅響應(yīng) 在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中如圖像處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔ㄐ蝹鬟f系統(tǒng)中都越來(lái)越多的要求信道具有線性的相位特性在這方面 FIR 濾波器具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)保證精確嚴(yán)格的線性相位因此這類濾波器應(yīng)用很廣泛 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用的是 NI PCI6254采集卡由于該卡支持 DAQmx驅(qū)動(dòng)程序所以本設(shè)計(jì)是直接使用 DAQmxData Acquisition 開(kāi)發(fā)的在這部分中主要是采集參數(shù)的設(shè)置其中包括物理通道的選擇采樣模式采樣率每通道采樣數(shù)輸入方式的配置采樣最大最小值的設(shè)置具體程序見(jiàn)圖 41 圖 41 濾波器及 labVIEW 實(shí)現(xiàn) 濾波器是一種選頻裝置可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)而極大地衰減其他頻率成分在測(cè)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(jìn)行頻譜分析同樣在測(cè)試 VI中也可以利用 LabVIEW提供的濾波器 VI對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪或提取特定頻率信號(hào) 濾波器技術(shù)在測(cè)試技術(shù)與儀器科學(xué)中是很重要的是測(cè)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(hào)和數(shù)字信號(hào)在測(cè)試 VI 中當(dāng)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LabVIEW 中應(yīng)用數(shù)字濾波器 VI 時(shí)參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜使用中需要注意的也比較多要求對(duì)濾波器的基本楷念有一個(gè)比較清晰的理解 現(xiàn)在我們首先對(duì)濾波器的基本概念作一了解再詳細(xì)介紹 LabVIEW 中濾波器的應(yīng)用理想濾波器是一個(gè)理想化的模型一個(gè)理想濾波器應(yīng)在所需的帶通內(nèi)幅頻特性為常直相頻特性為通過(guò)原點(diǎn)的直線在帶通外幅頻特性直應(yīng)為零這樣才能使帶通內(nèi)輸入信號(hào)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(shí)際濾波器的特性曲線沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(lái)描述實(shí)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(zhì)等因素 和其 他編程語(yǔ)言一樣 LabVIEW 中提供了許多現(xiàn)成的濾波器模板合理設(shè)置參數(shù)即可方便地用來(lái)進(jìn)行信號(hào)慮波下面我們來(lái)了解 LabVIEW中的濾波器 VILabVIEW中的濾波器 VI 也分成了 ExpressVI 波形 VI 和基本功能 VI 3 個(gè)層次其中ExpressVI中的濾波器 VI設(shè)置了針對(duì)所有類型的濾波器的選項(xiàng)波形 VI則分成了IIR 濾波器和 FIR 濾波器兩個(gè) VI 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 調(diào)用數(shù)字濾波器子程序的幾個(gè)問(wèn)題 直接應(yīng)用現(xiàn)成的數(shù)字濾波器子程序可以減少自己設(shè)計(jì)濾波器時(shí)繁 雜的過(guò)程提高工作效率但在調(diào)用數(shù)字濾