【正文】 字濾波器的系數(shù)。本文的虛擬數(shù)字濾波器完成的是第二項(xiàng)功能，在 LabVIEW 平臺(tái)上設(shè)計(jì)的巴特沃斯演示儀可分別實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻的功能的濾波器，其階數(shù)可以任意調(diào)節(jié)（需大于 0 的整數(shù)） 。如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖?duì)象，當(dāng) Vl 程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)在通過(guò)指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。因此一個(gè) VI 程序的設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、框圖程序的設(shè)計(jì)以及程序的調(diào)試。對(duì)框圖程序的設(shè)計(jì)主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。端點(diǎn)的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。出現(xiàn)壞線的原因有很多，例如：連接了兩個(gè)控制對(duì)象；源端子和終點(diǎn)端子的數(shù)據(jù)類型不匹配(例如一個(gè)是數(shù)字型，而另一個(gè)是布爾型)。點(diǎn)擊它，則LabVIEW 彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用 Find 功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端門就會(huì)變成高亮。當(dāng) VI 程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。 巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)儀可以通過(guò)設(shè)置濾波器參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同頻段、 不同抑制能力濾波特性的巴特沃斯低通、高通、帶通、帶阻數(shù)字濾波器。 ● 濾波器階次：必須大于 0 。 濾波器參數(shù)設(shè)置： 濾波器類型 帶通、階次 低截止頻率 49Hz、高截止頻率 51Hz。 注 意 ： 由 于 橫 坐 標(biāo) 的 原 因 ， 無(wú) 法 看 清 濾 波 效 果 ， 因 此 需 要 調(diào) 整 橫 坐 標(biāo) ，(橫 坐 標(biāo) 調(diào) 整 方 法 見(jiàn) 附 錄 )。 “圖 形 顯 示 窗 口 ”顯 示 幅 頻 特 性 圖 ， 橫 坐 標(biāo) ： 頻 率 (Hz)、 縱 坐 標(biāo) ： 單 位 由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。 巴特沃斯濾波器的調(diào)用路徑是函數(shù)》信號(hào)處理》濾波器》巴特沃斯濾波器.vi，它的圖標(biāo)及輸入輸出端口參數(shù)如圖 39 所示： 圖 39Butterworth Filter．vi 輸入輸出端口參數(shù) Butterworth Filter．vi 的輸入輸出端口參數(shù)含義如下： ● 濾波類型，如“ 低通濾波器 、 “高通濾波器”、 “帶通濾波器” 、 “帶阻濾波器等。 ● 低截止頻率 fl；它必須滿足 Nyquist 準(zhǔn)則，即 0?fifs．如果該條件不滿足則輸出序列 濾波后 X 為空，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。其程序框圖如圖 310 所示：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì)21圖 310 信號(hào)發(fā)生模塊的程序框圖 數(shù)字濾波模塊：用 LabVIEW 中的巴特沃斯濾波器間接地設(shè)計(jì) IIR 型數(shù)字濾波器。 （1）帶通濾波器 帶通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 修改濾波器參數(shù)后，濾波器幅頻特性圖如圖 44 所示： 圖 44 修改參數(shù)后帶通濾波器幅頻特性 可以看出高截止頻率為 符合設(shè)定高截止頻率 52Hz 的要求（低截止頻率未修改）。表 42 干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置次數(shù) 正旋干擾信號(hào)幅（V）正旋干擾信號(hào)頻率（Hz）正旋干擾信號(hào)相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 90 0 04 虛擬數(shù)字濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析29 3 2 90 0 2 添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果并記錄如下： ● 次數(shù) 1—只添加白噪聲干擾由附錄中圖 610 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比從 ，信噪比的絕對(duì)值有了很大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 1，均達(dá)到了預(yù)期的要求。調(diào)整橫坐標(biāo)后，濾波器幅頻特性如圖 411 所示。 此時(shí)濾波器特性如圖 412 所示。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置” 面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=204 “采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“ 有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0 度，其他參數(shù)按照表 44 所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 ②、低通濾波器：最佳參數(shù)為階次 1低截止頻率 70Hz、高截止頻率無(wú)效。這是一款純軟件的數(shù)字濾波器，該設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)： 將數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與 LabVIEW 軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了虛擬數(shù)字濾波 器。在此期間，白老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助。 本實(shí)驗(yàn)中最常用到的是Bring to Center，將指針?lè)诺酱翱谥行摹?圖 71 圖形顯示窗橫坐標(biāo)調(diào)整示意圖 （2）橫坐標(biāo)起止點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，單擊起止點(diǎn)處的數(shù)字，如圖 72 所示，然后修改成需要的數(shù)值。參考文獻(xiàn)41致 謝 本文是在我的導(dǎo)師白潔老師的精心指導(dǎo)下完成的，在此，我首先向白老師表示衷心地感謝，感謝她一直以來(lái)對(duì)我的關(guān)心和教導(dǎo)！ 在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和工作中，白老師的精心指導(dǎo)和培養(yǎng)使我在各個(gè)方面都受益非淺。 比較低通濾波器和高通濾波器的濾波效果：兩者都能很好的濾除干擾信號(hào)，相比之下，高通濾波器對(duì)信號(hào)的濾波效果要好于低通濾波器，高通濾波器濾波后干擾信號(hào)衰減幅度更大。 濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“ 正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“白噪聲幅值”=0 時(shí)，比較“濾波效果演示圖” ，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，可以看出，修改參數(shù)后的濾波器濾波效果較差，參數(shù)修改前消噪后的信噪比為 ，參數(shù)修改后消噪后的信噪比為 。 （低截止頻率的顯示） （高截止頻率的顯示）圖 415 帶阻濾波器幅頻特性圖 由上圖可知，帶通濾波器的低截止頻率為 、高截止頻率為4 虛擬數(shù)字濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析35，與設(shè)置的低截止頻率 29Hz、高截止頻率 31Hz 基本相符，可見(jiàn)該濾波器的帶阻功能的有效性。 ● 次數(shù) 3—同時(shí)添加白噪聲干擾和正弦干擾信號(hào)由附錄中圖 615 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前 ，信噪比的絕對(duì)值大于為 大于 ，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 （3）高通濾波器：高通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 2）不改變低通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。 ● 次數(shù) 3—同時(shí)添加白噪聲信號(hào)和正弦干擾信號(hào) 由附錄中圖 69 中的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好， 增加到 ，信噪比有了非常大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 程序的調(diào)試 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? (1) 通過(guò)對(duì)巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的使用練習(xí)，學(xué)習(xí)在演示儀上通過(guò)“ 濾波器參數(shù)設(shè)置” ，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器； (2) 通過(guò)觀察“ 濾波效果演示圖 ”、“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”和“ 濾波器幅頻特性圖” 以及濾波前后的信噪比和失真度，了解濾波器的特性與功能并檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。 ● 濾波后 X：濾波后的信號(hào)； ● 錯(cuò)誤：錯(cuò)誤信息； 由該濾波器的整體設(shè)計(jì)思路可知，該濾波器由信號(hào)發(fā)生模塊、數(shù)字濾波模塊、頻率響應(yīng)函數(shù)模塊 3 個(gè)模塊構(gòu)建而成。這樣我們就可以根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定采樣頻率，以保證信號(hào)的不失真。 圖 38 濾 波 前 后 的 信 噪 比 和 失 真 度 的 顯 示 窗 本論文設(shè)計(jì)的濾波器是巴特沃斯(Butterworth)數(shù)字濾波演示儀，巴特沃斯濾波器是無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器設(shè)計(jì)的通用方法。 輸 入 控 制 類 控 件 ： “頻 譜 顯 示 模 式 ”選 擇 縱 坐 標(biāo) 。 Logarithmic 對(duì) 應(yīng) 20log|H(ω)|(dB)、 Linear 對(duì) 應(yīng) 幅 值 (V)； “頻 率 ”輸 入 頻 率 數(shù) 值 輸 出 顯 示 類 控 件 ： “幅 值 ”對(duì) 應(yīng) 所 輸 入 的 “頻 率 ”， 顯 示 當(dāng) 前 幅 值 —單 位由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。為了演示濾波效果，先設(shè)置被測(cè)信號(hào)和濾波器參數(shù)。注意：采樣頻率必須大于信號(hào)頻率的兩倍以上！ (2) 濾波器參數(shù)設(shè)置： （如圖 34 所示）共有四個(gè)輸入控制類控件。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。程序的調(diào)試方法主要有： （1）找出語(yǔ)法錯(cuò)誤如果一個(gè) VI 程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。接線頭還有一個(gè)黃色小標(biāo)識(shí)框，顯示該端口的名字。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。 框圖程序的設(shè)計(jì) 框圖程序相當(dāng)于源代碼，只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運(yùn)行。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì)13 a. 工具模板 圖 32 工具模板、功能模板和控制模板 VI LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱 VI。當(dāng)從模板內(nèi)選擇任意一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對(duì)象和框圖程序之間傳輸?shù)耐ǖ?，是?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌?。輸出量被稱為顯示(Inidicators)，顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。以濾除信號(hào)中的噪聲分量．提取正弦信號(hào)。IIR 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 1?z的有理分式：（29） 對(duì)照模擬濾波器的傳遞函數(shù)：（210 ） 不難看出，數(shù)字濾波器與模擬濾波器的設(shè)計(jì)思路相仿，其設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)也是尋找一組系數(shù){b，a}，去逼近所要求的頻率響應(yīng)，使其在性能上滿足預(yù)定的技術(shù)要求。 FFT 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是巧妙的利用 nkNW的周期性和對(duì)稱性，通過(guò)一些快速的蝶形算法，簡(jiǎn)化了 DFT 公式中的系數(shù)矩陣。 數(shù)字濾波器的基本原理 算法和數(shù)字濾波理論基礎(chǔ) 離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform 簡(jiǎn)稱 DFF)及其快速算法快速傅里葉變換是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的核心組成部分。 按沖激響應(yīng)的寬度，數(shù)字濾波器又可分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）或者遞歸數(shù)字濾波器和有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）或者非遞歸數(shù)字濾波器兩大類。 可靠性高：因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)電平信號(hào)“0”和“1” ，受噪聲及環(huán)境條件的影響小，而模擬濾波器各個(gè)參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響。具體來(lái)說(shuō)，凡是用數(shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、調(diào)制、解調(diào)、均衡、增強(qiáng)、壓縮、估值、識(shí)別、產(chǎn)生等加工處理，都可納入數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。因此，目前研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)技術(shù)要求不高、費(fèi)用低的數(shù)字濾波器是非常必要的。數(shù)字濾波涉及到眾多的算法及應(yīng)用領(lǐng)域， 以遞歸或非遞歸的差分方程為表現(xiàn)形式，采用硬件、軟件或軟硬件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，而進(jìn)行比較完整的數(shù)字濾波分析需要購(gòu)置各種價(jià)格昂貴的專用儀器，這對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)存在一定的困難。這個(gè)概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱 NI)在 1986 年提出來(lái)的，但其雛形可以追朔到 1981 年由美國(guó)西北儀器公司推出的 AappleII 為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。這意味著更多的測(cè)試和控制工程師們將有新的機(jī)會(huì)開(kāi)發(fā)更加完善的實(shí)時(shí)的嵌入式系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)未來(lái)的幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。近兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。 NI 公司的定義：虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和硬件，使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就象是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用電子儀器。虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)的進(jìn)步為代表，不斷創(chuàng)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，正以不可逆轉(zhuǎn)之勢(shì)從各個(gè)層面上影響著各行各業(yè)的技術(shù)革新，今天的測(cè)控儀器行業(yè)同樣經(jīng)歷著一場(chǎng)翻天覆地的變革。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始，微軟公司 Windows 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的圖形支持功能得到很大提高。目前在我國(guó)應(yīng)用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要有美國(guó) NI 公司的LabVIEW 及其相應(yīng)組件和 Agilent 公司的 HPVEE，其中 NI 的 LabVIEW 系列產(chǎn)品在我國(guó)使用比較廣泛。 最后，通過(guò)對(duì)巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的實(shí)驗(yàn)： （1）學(xué)習(xí)在演示儀上通過(guò)“濾波器參數(shù)設(shè)置” ，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器； （2）通過(guò)觀察“ 濾波效果演示圖 ”、“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖