【正文】 Hz）正旋干擾信號相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 10 0 0 3 2 10 0 2 添加干擾信號，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 613 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 ，信噪比的絕對值有了很大的提高，信號失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。此時濾波器幅頻特性圖如圖 48 所示： 圖 48 修改參數(shù)后低通濾波器幅頻特性圖 記錄濾波前和濾波后波形特性如圖 49：圖 49 修改參數(shù)后低通濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示比較濾波器參數(shù)修改前后的低通濾波器幅頻特性圖可以看出，濾波器的低截止頻率沒有明顯變化，但是高階低通濾波器的幅頻特性曲線下降比較平緩。 圖 46 低通濾波器幅頻特性圖 低通濾波器的幅頻特性如圖 46 所示，f1 為低截止頻率，設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類型低通、濾波器階次 1低截止頻率 70Hz、高截止頻率無效。 表 41 干擾信號參數(shù)設(shè)置 次數(shù) 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 53 0 03 2 53 0 2 添加干擾信號，觀察濾波效果并記錄如下(為了便于分析，將各干擾信號下的濾波效果演示圖的結(jié)果顯示如下，而其圖形置于附錄中）： ● 次數(shù) 1—只添加白噪聲 由附錄中圖 67 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 增加到 ，信噪比有了很大的提高，信號失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。失真度定義為信號中全部諧波分量的能量與基波能量之比的平方根值，失真度越小濾波效果越好。當(dāng)其為 FALSE，初態(tài)為 0，當(dāng)初始化/連續(xù)初始化為 TRUE，濾波器初態(tài)為上一次調(diào)用該 VI 的最后狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)采樣間隔計算出采樣頻率：fs=l/Δt。 (cursor 的 具 體 使 用 方 法 見 附 錄 ) ● 濾 波 前 后 的 信 噪 比 和 失 真 度 濾 波 的 效 果 可 通 過 濾 波 前 后 的 信 噪 比 與 失 真 度 的 對 比 進 行 定 量 判 斷 。 ● “濾 波 器 幅 頻 特 性 圖 ”—顯 示 濾 波 器 自 身 的 幅 頻 特 性 ： 通 過 求 巴 特 沃 斯 濾 波 器 的 單 位 沖 擊 響 應(yīng) 可 以 求 出 濾 波 器 自 身 的 頻 譜 特 性 ，如 圖 37“濾 波 器 幅 頻 特 性 圖 ”所 示 。 共 有 兩個 輸 入 控 制 類 控 件 和 兩 個 輸 出 顯 示 類 控 件 。當(dāng)濾波器類型選擇“ 低通 ”和“高通”時，無效！ (3) 濾波效果的演示 濾波效果可以從定性和定量兩個方面來檢驗：分別是“濾波效果演示圖” 、 “濾波前和濾波后信號幅頻特性圖” 、 “濾波器幅頻特性圖” ，此為定性。 ● 干擾信號類：有白噪聲與正弦信號兩種干擾信號可供分別單獨選擇或同時選擇，作為疊加在有用信號的干擾信號， 當(dāng)選擇正弦信號作為干擾時， 還需設(shè)置其幅值、 頻率與相位。從工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左建點擊你希望放置探針的連接線。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計15 （3）斷點與單步執(zhí)行為了查找程序中的邏輯錯誤，有時希望流程圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。首先查找錯誤，如果一個程序不能執(zhí)行，運行按鈕會出現(xiàn)一個折斷的箭頭。 接線頭是為了幫助正確連接端口的連線。因為這不是幾何意義上的連線，因此并非任意兩個端子間都可迮線，連線類似于普通程序中的變量。控制器使用戶可以輸入數(shù)據(jù)到程序，而指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值?？梢杂谩安榭础?菜單下的“函數(shù)選板”打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。操作模板共有三類，為工具模板(Tools) 、控制模板 (Contro1s)和功能模板 (Functions)三類。節(jié)點之間數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接，可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。該程序采用模塊化的設(shè)計思想 ，從含有干擾或噪聲的 信號中提取正弦信號。圖21 數(shù)字濾波器響應(yīng)函數(shù) H(z)的設(shè)計，就是找到一組系統(tǒng)沖激響應(yīng)的采樣值，使濾波器的性能滿足預(yù)先設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，這就是數(shù)字濾波器的濾波原理。在 DFT 的公式 24 中包含了大量的重復(fù)運算：由于 NW的周期性，式 24 中只有 N 個獨立的值，即 3210,NW等。 由于前者的設(shè)計方法源于傳統(tǒng)的模擬濾波器，且使用濾波器時人們主要關(guān)心它的穩(wěn)定性和因果性以及幅頻特性，并要求簡單，所以 IIR 濾波器使用較多。 因此，數(shù)字濾波器在工程中得到廣泛的應(yīng)用。因此在一些精度要求很高的濾波系統(tǒng)中，就必須采用數(shù)字濾波器來實現(xiàn)。數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的一部分。目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求高，生產(chǎn)突破度難。虛擬儀器的核心是軟件，用戶根據(jù)實驗要求編寫和重組軟硬件系統(tǒng)模塊，可以大幅提升和擴展儀器功能，滿足的不同要求。PC 機的出現(xiàn)使儀器的計算機化成為可能。例如，實時控制與嵌入式控制器也早已屬于特殊程序開發(fā)的范圍。此外，國內(nèi)己有幾家企業(yè)在研制虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品己達(dá)到一定的批量。圖 1—1 反映了常見的虛擬儀器方案。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種足將計算機裝入儀器，其典型的例了就足所謂智能化的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。在儀器計算機化領(lǐng)域中，NI 走到了前列，對虛擬儀器和 LabVIEW 長期的、系統(tǒng)的和有效的研究開發(fā)使得 NI 公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告?，F(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)正在利用 PC 范疇以外的最新的技術(shù)革新。虛擬儀器的起源可以追朔到 20 世紀(jì) 70 年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。1． 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比傳統(tǒng)儀器主要依賴不同功能的硬件設(shè)備來完成實驗，由于硬件功能的單一和固定，傳統(tǒng)儀器的功能受到限制。它適用于多種操作系統(tǒng),用 LabVIEW 設(shè)計的虛擬儀器程序可以脫離開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 最終用戶看見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。 由于計算機和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的模擬濾波器，正在被精度高、靈活性高、可靠性強、容易大規(guī)模集成數(shù)字濾波器所代替，因而在通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航、音響技術(shù)、聲納、遙感遙測、生物醫(yī)學(xué)、電視、儀器、計算機控制與應(yīng)用等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。模擬濾波器在理論上和實踐上都已經(jīng)達(dá)到很高水平，但是在需要更多靈活性以及程序可控制性的場合，相對于模擬濾波器數(shù)字濾波器具有以下顯著的優(yōu)點： 精度高：模擬電路中元件的精度很難達(dá)到 310以上，而數(shù)字系統(tǒng) 17 位字長就可以達(dá)到 5 10精度。TI 公司 TMS320C5000 系列的 DSP 芯片采用 8 條指令并行處理的結(jié)構(gòu)，時鐘頻率為 100MHZ 的 DSP 芯片。它們的系統(tǒng)傳遞函數(shù)分別為： ?????NkkMkzabzH10)(（21 ）??0)()(nnhz（22） 數(shù)字濾波器7對應(yīng)的差分方程分別為： ??????MkNkknyanxbny01)()()(（23 ）10Nmmxh（24） 公式 21 中的 H(z)稱為 N 階 IIR 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，公式 22 中的 H(z)稱為(N 一 1)階 FIR 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。隨著序列長度的增大，運算量將劇烈的增加。H(z)是系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的實際需要可以是無限沖激響應(yīng)(IIR)或有限沖激響應(yīng)(FIR)，響應(yīng)函數(shù)的設(shè)計有許多種有效的方法。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計113 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計 虛擬數(shù)字濾波器的總體設(shè)計思路 數(shù)字濾波器采用 LabVIEW 作為軟件的開發(fā)平臺，充分發(fā)揮 LabVIEW 作為編程語言的簡便性的功能。 程序組成 該環(huán)境包含包括三個部分:程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。節(jié)點式 Vl 程序中的執(zhí)行元素，類似于文本編程語言程序中的語句、函數(shù)或子程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，并可以放置在屏幕的任意位置。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。利用工具模板來添加輸入控制器和輸出指示器(添加后會在框圖程序中出現(xiàn)對應(yīng)的控制器或指示器框圖)。流程圖上的每一個對象都帶有自己的連線端子，連線將構(gòu)成對象之間的數(shù)據(jù)通道。當(dāng)需要連線轉(zhuǎn)彎時，點擊一次鼠標(biāo)鍵，即可以正交垂直方向地彎曲連線，按空格鍵可以改變轉(zhuǎn)角的方向。 當(dāng)前面板和程序框圖設(shè)計好以后，程序的執(zhí)行過程中可能會遇到很多方面的錯誤，因此要對程序進行調(diào)試。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀念跟蹤程序的執(zhí)行。 （4）探針可用探針工具來查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。 ● 有用信號產(chǎn)生類：用來設(shè)置正弦信號的幅值、頻率、相位，作為有用信號。 ● 高截止頻率：當(dāng)濾波器類型選擇“ 帶通”和“帶阻” 時，必須大于低截止頻率。 33 被測信號設(shè)置 圖 34 濾波器參數(shù)設(shè)置圖3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計17 （a) (b)圖 35 濾 波 效 果 的 時 域 演 示 圖 ● “濾 波 前 和 濾 波 后 信 號 幅 頻 特 性 圖 ”－ 基 于 頻 譜 分 析 的 濾 波 器 濾 波 效 果檢 驗 分 別 對 濾 波 前 和 濾 波 后 的 信 號 作 FFT（ 快 速 傅 立 葉 變 換 ） 可 以 得 到 它們 的 幅 頻 特 性 圖 ， 如 圖 35“濾 波 前 和 濾 波 后 信 號 幅 頻 特 性 圖 ”所 示 。 (cursor 的 具 體 使 用 方 法 見 附 錄 ) 由 濾 波 前 后 信 號 幅 頻 特 性 圖 上 可 以 看 出 53Hz 的 干 擾 信 號 已 經(jīng) 被 濾 去 。 “圖 形 顯 示 窗 口 ”中 顯 示 的 黃 色 的 線 是 cursor 工 具 ， 用 來 顯 示 曲 線 上 任 何 點的 橫 縱 坐 標(biāo) 數(shù) 值 。什么是采樣頻率呢?假設(shè)對信號以 Δt 為時間間隔進行采樣，并且不丟失任何信息，參數(shù) Δt 是采樣間隔。 ● 初始化/連續(xù)(初始化：F)；內(nèi)部狀態(tài)的初始化控制。計算公式 dB = 20lg(S/N) ，只要噪聲能量超過信號能量,SNR 就是負(fù)的，可見信噪比越大越好；失真度表征一個信號偏離純正弦信號的程度。在“被測信號設(shè)置” 面板中設(shè)置“采樣點數(shù)”=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(shù)按照表 41 所示參數(shù)進行設(shè)置。 （2）低通濾波器： 1）低通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 3）修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果：修改濾波器的參數(shù)為“ 濾波器階次 ”=4，設(shè)置被測信號： “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”=90Hz、“正弦干擾信號相位”=0、“ 白噪聲幅值”=0。在“被測信號設(shè)置” 面板中設(shè)置“采樣點數(shù)”=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(shù)按照表 3 所示參數(shù)進行設(shè)置。 (4)帶阻濾波器 1) 帶阻濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖 ”。 ● 次數(shù) 3—同時添加白噪聲干擾和正弦干擾信號 由附錄中圖 619 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 增加到 ，信噪比有了較大的提高，信號失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 ： （1）比較濾波器之間的不同 根據(jù)濾波器以上實驗中保存的各個類型濾波器“濾波特性圖” ，比較帶通濾波器與帶阻濾波器、低通濾波器與高通濾波器的異同如下：帶通濾波器與帶阻濾波器：兩個濾波器的幅頻特性相反，帶通濾波器對頻率在高低截止頻率外的信號進行衰減，帶阻濾波器則相反，相同點是都有高低截止頻率。 （1）本文設(shè)計的數(shù)字濾波器沒有經(jīng)過實際應(yīng)用的驗證，所以有必要對其進行功能檢驗，方法有兩種： 1）設(shè)計虛擬的被測信號發(fā)生器和頻譜分析儀，并對巴特沃斯數(shù)字濾波演示儀進行功能檢驗。在城市學(xué)院這個學(xué)習(xí)氛圍活躍、團結(jié)友愛的集體里，大家互相幫助，彼此討論問題，