【正文】 字濾波器的系數。本文的虛擬數字濾波器完成的是第二項功能，在 LabVIEW 平臺上設計的巴特沃斯演示儀可分別實現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻的功能的濾波器，其階數可以任意調節(jié)（需大于 0 的整數） 。如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。控制端口和指示端口用于前面板對象，當 Vl 程序運行時，從控制輸入的數據通過控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產生的輸出數據在通過指示端口傳輸到前面板對應的指示中顯示。每個圖標代表一個子模板。因此一個 VI 程序的設計主要包括前面板的設計、框圖程序的設計以及程序的調試。對框圖程序的設計主要是對節(jié)點、數據端口和連線的設計。端點的先后次序不影響數據流動的方向。出現(xiàn)壞線的原因有很多，例如：連接了兩個控制對象；源端子和終點端子的數據類型不匹配(例如一個是數字型，而另一個是布爾型)。點擊它，則LabVIEW 彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用 Find 功能，則出錯的對象或端門就會變成高亮。當 VI 程序運行到斷點被設置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。 巴特沃斯數字濾波器演示儀的設計 該設計儀可以通過設置濾波器參數實現(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、帶阻數字濾波器。 ● 濾波器階次：必須大于 0 。 濾波器參數設置： 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 的 原 因 ， 無 法 看 清 濾 波 效 果 ， 因 此 需 要 調 整 橫 坐 標 ，(橫 坐 標 調 整 方 法 見 附 錄 )。 “圖 形 顯 示 窗 口 ”顯 示 幅 頻 特 性 圖 ， 橫 坐 標 ： 頻 率 (Hz)、 縱 坐 標 ： 單 位 由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。 巴特沃斯濾波器的調用路徑是函數》信號處理》濾波器》巴特沃斯濾波器.vi，它的圖標及輸入輸出端口參數如圖 39 所示： 圖 39Butterworth Filter．vi 輸入輸出端口參數 Butterworth Filter．vi 的輸入輸出端口參數含義如下： ● 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，并返回一個錯誤。其程序框圖如圖 310 所示：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數字濾波器演示儀的設計21圖 310 信號發(fā)生模塊的程序框圖 數字濾波模塊：用 LabVIEW 中的巴特沃斯濾波器間接地設計 IIR 型數字濾波器。 （1）帶通濾波器 帶通濾波器的參數定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 修改濾波器參數后，濾波器幅頻特性圖如圖 44 所示： 圖 44 修改參數后帶通濾波器幅頻特性 可以看出高截止頻率為 符合設定高截止頻率 52Hz 的要求（低截止頻率未修改）。表 42 干擾信號參數設置次數 正旋干擾信號幅（V）正旋干擾信號頻率（Hz）正旋干擾信號相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 90 0 04 虛擬數字濾波器的調試及結果分析29 3 2 90 0 2 添加干擾信號，觀察濾波效果并記錄如下： ● 次數 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 ，信噪比的絕對值有了很大的提高，信號失真度也降到 小于 1，均達到了預期的要求。調整橫坐標后，濾波器幅頻特性如圖 411 所示。 此時濾波器特性如圖 412 所示。在“被測信號設置” 面板中設置“采樣點數”=204 “采樣頻率”=1000Hz，“有用信號幅值”=2V、“ 有用信號頻率”=50Hz、“有用信號相位”=0 度，其他參數按照表 44 所示參數進行設置。 ②、低通濾波器：最佳參數為階次 1低截止頻率 70Hz、高截止頻率無效。這是一款純軟件的數字濾波器，該設計具有以下特點： 將數字濾波器的設計原理與 LabVIEW 軟件相結合，實現(xiàn)了虛擬數字濾波 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。 本實驗中最常用到的是Bring to Center，將指針放到窗口中心。 圖 71 圖形顯示窗橫坐標調整示意圖 （2）橫坐標起止點的調節(jié)方法，單擊起止點處的數字，如圖 72 所示，然后修改成需要的數值。參考文獻41致 謝 本文是在我的導師白潔老師的精心指導下完成的，在此，我首先向白老師表示衷心地感謝，感謝她一直以來對我的關心和教導！ 在這幾個月畢業(yè)設計的學習和工作中，白老師的精心指導和培養(yǎng)使我在各個方面都受益非淺。 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，相比之下，高通濾波器對信號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衰減幅度更大。 濾波器參數修改前后，當被測信號為“有用信號幅值”=2V、“有用信號頻率”=50Hz、“有用信號相位”=0、“正弦干擾信號幅值”=2V、“ 正弦干擾信號頻率”=30Hz、“正弦干擾信號相位”=0、“白噪聲幅值”=0 時，比較“濾波效果演示圖” ，“濾波前和濾波后信號幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，可以看出，修改參數后的濾波器濾波效果較差，參數修改前消噪后的信噪比為 ，參數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 虛擬數字濾波器的調試及結果分析35，與設置的低截止頻率 29Hz、高截止頻率 31Hz 基本相符，可見該濾波器的帶阻功能的有效性。 ● 次數 3—同時添加白噪聲干擾和正弦干擾信號由附錄中圖 615 的濾波效果演示圖可知該數字濾波器的濾波效果良好，消噪前 ，信噪比的絕對值大于為 大于 ，信號失真度也降到 小于 ，均達到了預期的要求。 （3）高通濾波器：高通濾波器的參數定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 2）不改變低通濾波器的參數設置，觀察濾波效果添加干擾信號，觀察濾波效果。 ● 次數 3—同時添加白噪聲信號和正弦干擾信號 由附錄中圖 69 中的濾波效果演示圖可知該數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，信號失真度也降到 小于 ，均達到了預期的要求。 程序的調試 1．實驗目的： (1) 通過對巴特沃斯數字濾波器演示儀的使用練習，學習在演示儀上通過“ 濾波器參數設置” ，實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器； (2) 通過觀察“ 濾波效果演示圖 ”、“濾波前和濾波后信號幅頻特性圖”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驗結果是否達到了預先的設計要求。 ● 濾波后 X：濾波后的信號； ● 錯誤：錯誤信息； 由該濾波器的整體設計思路可知，該濾波器由信號發(fā)生模塊、數字濾波模塊、頻率響應函數模塊 3 個模塊構建而成。這樣我們就可以根據信號的頻率來確定采樣頻率，以保證信號的不失真。 圖 38 濾 波 前 后 的 信 噪 比 和 失 真 度 的 顯 示 窗 本論文設計的濾波器是巴特沃斯(Butterworth)數字濾波演示儀，巴特沃斯濾波器是無限沖激響應(IIR)濾波器設計的通用方法。 輸 入 控 制 類 控 件 ： “頻 譜 顯 示 模 式 ”選 擇 縱 坐 標 。 Logarithmic 對 應 20log|H(ω)|(dB)、 Linear 對 應 幅 值 (V)； “頻 率 ”輸 入 頻 率 數 值 輸 出 顯 示 類 控 件 ： “幅 值 ”對 應 所 輸 入 的 “頻 率 ”， 顯 示 當 前 幅 值 —單 位由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。為了演示濾波效果，先設置被測信號和濾波器參數。注意：采樣頻率必須大于信號頻率的兩倍以上！ (2) 濾波器參數設置： （如圖 34 所示）共有四個輸入控制類控件。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。使用斷點工具時，點擊你希望設置或者清除斷點的地方。程序的調試方法主要有： （1）找出語法錯誤如果一個 VI 程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。接線頭還有一個黃色小標識框，顯示該端口的名字。不同的線型代表不同的數據類型。 框圖程序的設計 框圖程序相當于源代碼，只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運行。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數字濾波器演示儀的設計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，簡稱 VI。當從模板內選擇任意一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。數據端口是數據在前面板對象和框圖程序之間傳輸的通道，是數據在框圖程序內節(jié)點之間傳輸的接口。輸出量被稱為顯示(Inidicators)，顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產生的數據。以濾除信號中的噪聲分量．提取正弦信號。IIR 數字濾波器的系統(tǒng)函數為 1?z的有理分式：（29） 對照模擬濾波器的傳遞函數：（210 ） 不難看出，數字濾波器與模擬濾波器的設計思路相仿，其設計實質也是尋找一組系數{b，a}，去逼近所要求的頻率響應，使其在性能上滿足預定的技術要求。 FFT 實現(xiàn)的關鍵是巧妙的利用 nkNW的周期性和對稱性，通過一些快速的蝶形算法，簡化了 DFT 公式中的系數矩陣。 數字濾波器的基本原理 算法和數字濾波理論基礎 離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform 簡稱 DFF)及其快速算法快速傅里葉變換是數字信號處理領域的核心組成部分。 按沖激響應的寬度，數字濾波器又可分為無限沖激響應濾波器（IIR）或者遞歸數字濾波器和有限沖激響應濾波器（FIR）或者非遞歸數字濾波器兩大類。 可靠性高：因為數字系統(tǒng)只有兩個電平信號“0”和“1” ，受噪聲及環(huán)境條件的影響小，而模擬濾波器各個參數都有一定的溫度系數，易受溫度、振動、電磁感應等影響。具體來說，凡是用數字方式對信號進行濾波、變換、調制、解調、均衡、增強、壓縮、估值、識別、產生等加工處理，都可納入數字信號處理領域。因此，目前研制一種結構簡單、操作方便、生產技術要求不高、費用低的數字濾波器是非常必要的。數字濾波涉及到眾多的算法及應用領域， 以遞歸或非遞歸的差分方程為表現(xiàn)形式，采用硬件、軟件或軟硬件相結合的方式實現(xiàn)，而進行比較完整的數字濾波分析需要購置各種價格昂貴的專用儀器，這對于普通用戶來說存在一定的困難。這個概念最早是由美國國家儀器公司(簡稱 NI)在 1986 年提出來的，但其雛形可以追朔到 1981 年由美國西北儀器公司推出的 AappleII 為基礎的數字存儲示波器。這意味著更多的測試和控制工程師們將有新的機會開發(fā)更加完善的實時的嵌入式系統(tǒng)。國內專家預測未來的幾年內，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。近兩年來這些學校在原有的基礎上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。另一種方式是將儀器裝入計算機。 NI 公司的定義：虛擬儀器就是在通用計算機上加上一組軟件和硬件，使用者在操作這臺計算機時，就象是在操作一臺他自己設計的專用電子儀器。虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀 70 年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天領域已經有了相當的發(fā)展。清華大學汽車系利用虛擬儀器技術構建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。虛擬儀器技術的提出與發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領域技術發(fā)展的一個重要方向。 現(xiàn)代技術的進步以計算機的進步為代表，不斷創(chuàng)新的計算機技術，正以不可逆轉之勢從各個層面上影響著各行各業(yè)的技術革新，今天的測控儀器行業(yè)同樣經歷著一場翻天覆地的變革。從 20 世紀 80 年代中期開始，微軟公司 Windows 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得計算機操作系統(tǒng)的圖形支持功能得到很大提高。目前在我國應用的虛擬儀器開發(fā)平臺主要有美國 NI 公司的LabVIEW 及其相應組件和 Agilent 公司的 HPVEE，其中 NI 的 LabVIEW 系列產品在我國使用比較廣泛。 最后，通過對巴特沃斯數字濾波器演示儀的實驗： （1）學習在演示儀上通過“濾波器參數設置” ，實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器； （2）通過觀察“ 濾波效果演示圖 ”、“濾波前和濾波后信號幅頻特性圖