【正文】 在城市學(xué)院這個(gè)學(xué)習(xí)氛圍活躍、團(tuán)結(jié)友愛(ài)的集體里，大家互相幫助，彼此討論問(wèn)題，共同提高。 ： （1）比較濾波器之間的不同 根據(jù)濾波器以上實(shí)驗(yàn)中保存的各個(gè)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(gè)濾波器的幅頻特性相反，帶通濾波器對(duì)頻率在高低截止頻率外的信號(hào)進(jìn)行衰減，帶阻濾波器則相反，相同點(diǎn)是都有高低截止頻率。 (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 ”。 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(cè)信號(hào)： “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”=90Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“ 白噪聲幅值”=0。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 41 所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 ● 初始化/連續(xù)(初始化：F)；內(nèi)部狀態(tài)的初始化控制。 “圖 形 顯 示 窗 口 ”中 顯 示 的 黃 色 的 線 是 cursor 工 具 ， 用 來(lái) 顯 示 曲 線 上 任 何 點(diǎn)的 橫 縱 坐 標(biāo) 數(shù) 值 。 33 被測(cè)信號(hào)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(jì)17 （a) (b)圖 35 濾 波 效 果 的 時(shí) 域 演 示 圖 ● “濾 波 前 和 濾 波 后 信 號(hào) 幅 頻 特 性 圖 ”－ 基 于 頻 譜 分 析 的 濾 波 器 濾 波 效 果檢 驗(yàn) 分 別 對(duì) 濾 波 前 和 濾 波 后 的 信 號(hào) 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(hào) 幅 頻 特 性 圖 ”所 示 。 ● 有用信號(hào)產(chǎn)生類：用來(lái)設(shè)置正弦信號(hào)的幅值、頻率、相位，作為有用信號(hào)。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀念跟蹤程序的執(zhí)行。當(dāng)需要連線轉(zhuǎn)彎時(shí)，點(diǎn)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。利用工具模板來(lái)添加輸入控制器和輸出指示器(添加后會(huì)在框圖程序中出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制器或指示器框圖)。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。 程序組成 該環(huán)境包含包括三個(gè)部分:程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。H(z)是系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要可以是無(wú)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(jì)有許多種有效的方法。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(duì)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)。模擬濾波器在理論上和實(shí)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(chǎng)合，相對(duì)于模擬濾波器數(shù)字濾波器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)： 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(zhǎng)就可以達(dá)到 5 10精度。它適用于多種操作系統(tǒng),用 LabVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器程序可以脫離開(kāi)發(fā)環(huán)境 LabVIEW 最終用戶看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。虛擬儀器的起源可以追朔到 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、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖 1—1 反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。例如，實(shí)時(shí)控制與嵌入式控制器也早已屬于特殊程序開(kāi)發(fā)的范圍。虛擬儀器的核心是軟件，用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求編寫和重組軟硬件系統(tǒng)模塊，可以大幅提升和擴(kuò)展儀器功能，滿足的不同要求。數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理的一部分。 因此，數(shù)字濾波器在工程中得到廣泛的應(yīng)用。在 DFT 的公式 24 中包含了大量的重復(fù)運(yùn)算：由于 NW的周期性，式 24 中只有 N 個(gè)獨(dú)立的值，即 3210,NW等。該程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想 ，從含有干擾或噪聲的 信號(hào)中提取正弦信號(hào)。節(jié)點(diǎn)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(dòng)方向?？梢杂谩安榭础?菜單下的“函數(shù)選板”打開(kāi)它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。因?yàn)檫@不是幾何意義上的連線，因此并非任意兩個(gè)端子間都可迮線，連線類似于普通程序中的變量。首先查找錯(cuò)誤，如果一個(gè)程序不能執(zhí)行，運(yùn)行按鈕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)折斷的箭頭。從工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左建點(diǎn)擊你希望放置探針的連接線。當(dāng)濾波器類型選擇“ 低通 ”和“高通”時(shí)，無(wú)效！ (3) 濾波效果的演示 濾波效果可以從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)檢驗(yàn)：分別是“濾波效果演示圖” 、 “濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖” 、 “濾波器幅頻特性圖” ，此為定性。 ● “濾 波 器 幅 頻 特 性 圖 ”—顯 示 濾 波 器 自 身 的 幅 頻 特 性 ： 通 過(guò) 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 ?？梢愿鶕?jù)采樣間隔計(jì)算出采樣頻率：fs=l/Δt。失真度定義為信號(hào)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。 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(wú)效。表 43 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 10 0 0 3 2 10 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 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(duì)值有了很大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 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“濾波器階數(shù)”=10，設(shè)置被測(cè)信號(hào)： “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。 2）采用 ADQ 采集實(shí)測(cè)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行濾波。 圖 66 曲線上各點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值顯示示意圖 對(duì)本文設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器添加不同的干擾信號(hào)，其調(diào)試結(jié)果如下: ● 對(duì)帶通濾波器分別添加噪聲、正旋干擾信號(hào)及噪聲和正旋干擾信號(hào)的起波形演示圖如圖 6圖 68 和圖 69 所示：附錄49 圖 67 帶通濾波器（添加噪聲）濾波效果演示 圖 68 帶通濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示附錄51 圖 69 帶通濾波器（添加正旋干擾和噪聲）濾波效果演示 ● 對(duì)低通濾波器分別添加噪聲、正旋干擾信號(hào)及噪聲和正旋干擾信號(hào)的起波形演示圖如圖 6圖 611 和圖 612 所示： 圖 610 低通濾波器（添加噪聲）濾波效果演示附錄53 圖 611 低通濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示 圖 612 低通濾波器（添加正旋干擾和噪聲）濾波效果演示 ● 對(duì)高通濾波器分別添加噪聲、正旋干擾信號(hào)及噪聲和正旋干擾信號(hào)的起波形演示圖如圖 61圖 614 和圖 615 所示：附錄55 圖 613 高通濾波器（添加噪聲）濾波效果演示 圖 614 高通濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示附錄57 圖 615 高通濾波器（添加正旋干擾和噪聲）濾波效果演示 ● 對(duì)帶阻濾波器分別添加噪聲、正旋干擾信號(hào)及噪聲和正旋干擾信號(hào)的起波形演示圖如圖 61圖 617 和圖 618 所示： 圖 616 帶阻濾波器（添加噪聲）濾波效果演示附錄59 圖 617 帶阻濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示 圖 618 帶阻濾波器（添加正旋干擾和噪聲）濾波效果演示外文翻譯1外。 基于 LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的濾波器足以實(shí)現(xiàn)濾波器的功能，且這樣的虛擬濾波器較硬件配置的濾波器而言具有制作簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),可見(jiàn)虛擬儀器的發(fā)展具有很廣闊的前景。 ● 次數(shù) 2—只添加正弦干擾信號(hào) 由附錄中圖 618 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。 2) 不改變高通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果：添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。 比較濾波器參數(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”=53Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“白噪聲幅值”＝0 時(shí)，通過(guò)比較“ 濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖 ”以及濾波前后的信噪比和失真度，可以看出修改前的濾波效果較好，修改前通帶窄，高頻干擾信號(hào)衰減幅度大，消噪后的信噪比較高。什么是信噪比，什么是失真度？信噪比就是有用與噪聲信號(hào)功率的的比值，通常用 SNR、S/N 表示，單位：分貝 dB。 ● 采樣頻率 fs：產(chǎn)生 X 序列時(shí)的采樣頻率；它的高低直接影響到采集到的信號(hào)的復(fù)原性。“圖 形 顯 示 窗 口 ”中 顯 示 的 黃 色 的 線 是 cursor 工 具 ， 用 來(lái) 顯 示 曲 線 上 任 何 點(diǎn)的 橫 縱 坐 標(biāo) 數(shù) 值 。當(dāng)濾波器類型選擇“ 帶通”和“ 帶阻”時(shí)，必須小于高截止頻率 。你也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。當(dāng) Vl 無(wú)法運(yùn)行，或者顯示信號(hào)丟失終端)的錯(cuò)誤信息時(shí)，這是一個(gè)快捷的調(diào)試方法。 連線是程序設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的問(wèn)題。功能模板(Functions)是創(chuàng)建框圖程序的工具?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)(Node)、數(shù)據(jù)連線(Wire)構(gòu)成。 A/D H(z) D/A數(shù)字濾波器9本文設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器就是用 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。做一次離散傅立葉變換總共需要做 4次實(shí)數(shù)乘法和 2次實(shí)數(shù)加法。 并行處理：數(shù)字濾波器的另外一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)并行處理，比如數(shù)字濾波器可以采用 DSP 處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。數(shù)字濾波器5 2 數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介 濾波及數(shù)字濾波器 濾波是信號(hào)處理領(lǐng)域的一種最基本而又極其重要的技術(shù)．在有用信號(hào)的傳輸過(guò)程中，通常會(huì)受到噪聲或干擾的污染．利用濾波技術(shù)可以從復(fù)雜的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，同時(shí)抑制噪聲或干擾信號(hào)，以便更有效地利用原始信號(hào)．濾波器實(shí)際上是一種選頻系統(tǒng)，它對(duì)某些頻率的信號(hào)予以很小的衰減，讓該部分信號(hào)順利通過(guò)；而對(duì)其他不需要的頻率信號(hào)則予以很大的衰減，盡可能阻止這些信號(hào)通過(guò)。1986 年，NI 公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對(duì)象。 虛擬儀器技術(shù)融合了 PC 技術(shù)及商業(yè)科技如國(guó)際網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。PC 的出現(xiàn)使儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形記錄儀系列。虛擬儀器就是在那個(gè)時(shí)期隨計(jì)算機(jī)水平和軟件技術(shù)的迅速進(jìn)步而出現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)的有別于傳統(tǒng)儀器的新概念。但是基于虛擬儀器的大力發(fā)展，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器所不具備的功能，而且完全可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。 靈活性大：數(shù)字濾波器的性能主要取決于乘法器的各系數(shù)，而這些系數(shù)是存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的，只要改變存儲(chǔ)器存放