【文章內(nèi)容簡介】 序中設(shè)計(jì)了一個(gè)低通巴特沃斯濾波器。以濾除信號中的噪聲分量．提取正弦信號。 虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件部分，它一般由信號發(fā)生模塊、數(shù)字濾波模塊、頻率響應(yīng)模塊構(gòu)建，如圖 31 所示 圖 31 虛擬濾波器總體框圖 數(shù)字濾波器主要功能有三個(gè)方面： 用來對獲得的信號作處理運(yùn)算，并加工構(gòu)建某種預(yù)定的頻率特性； 是作抗干擾濾波器，適用于當(dāng)干擾噪聲頻譜與信號頻譜主瓣不重疊時(shí)，根據(jù)具體情況采用低通、高通、帶通或帶阻濾波器； 是用于各種校正環(huán)節(jié)的反濾波器，當(dāng)信號帶寬大于測量系統(tǒng)帶寬時(shí)用來擴(kuò)展系統(tǒng)的頻帶，改善全系統(tǒng)的動態(tài)特性。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)） 。 LABVIEW簡介 LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是美國 NI 公司推出的一種基于 G 語(Graphics Language，圖形化編程語言)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言和 信 號 生 成 巴 特 沃 斯 慮 波 器 結(jié) 果 或 波 形 顯 示西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 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。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(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制(Controls)，為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù) 。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)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上。如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。 一個(gè)程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序，框圖程序用 LabVIEW 圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)(Node)、數(shù)據(jù)連線(Wire)構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)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。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)流動方向。節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與前面板對象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對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)慕涌凇? LabVIEW 中有兩種類型的數(shù)據(jù)端口:控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口。控制端口和指示端口用于前面板對象，當(dāng) Vl 程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過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)在通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?yīng)的指示中顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口都有一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。 的操作面板LabVIEW 是具有多個(gè)圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。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。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。工具模板 (Tools Palette)為編程者提供了各種創(chuàng)建、修改和調(diào)試 Vl 程序的工具，在“查看”菜單下選擇“工具選板”命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇任意一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀?？刂颇０?Controls) 可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板?？梢杂谩安榭础?菜單下的“控制選板 ”打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。功能模板(Functions)是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板?？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(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。工具模板、功能模板和控制模板分別如圖 32 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)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。一個(gè)完整的 VI 包括 3 個(gè)部分：前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。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。 創(chuàng)建前面板 因?yàn)橛脩羰褂脮r(shí)所觀察到的就是前面板，而且在前面板中執(zhí)行對儀器的操作，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)前面板。前面板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成。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)?？刂破魇褂脩艨梢暂斎霐?shù)據(jù)到程序，而指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。控制器和顯示器部件有許多種類，可以從控制模板的各個(gè)子模板中選取。 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。所以在設(shè)計(jì)好前面板以后，就要根據(jù)各個(gè)框圖之間的關(guān)系以及對數(shù)據(jù)的處理方法等設(shè)計(jì)框圖程序。對框圖程序的設(shè)計(jì)主要是對節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)是 VI 程序運(yùn)行的要素，可以把他理解為程序的語句、西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14函數(shù)或子程序，他包括 4 種類型：函數(shù)、VI 子程序、結(jié)構(gòu)和代碼接口。 連線是程序設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的問題。流程圖上的每一個(gè)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。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。數(shù)據(jù)單向流動，從源端口向一個(gè)或多個(gè)目的端口流動。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。當(dāng)需要連接兩個(gè)端點(diǎn)時(shí)，在第一個(gè)端點(diǎn)上點(diǎn)擊連線工具(從工具模板欄調(diào)用)，然后移動到另一個(gè)端點(diǎn)，再點(diǎn)擊第二個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動的方向。 當(dāng)把連線工具放在端點(diǎn)上時(shí)，該端點(diǎn)區(qū)域?qū)W爍，表示連線將會接通該端點(diǎn)。當(dāng)把連線工具從一個(gè)端口接到另一個(gè)端口時(shí)，不需要按住鼠標(biāo)鍵。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。 接線頭是為了幫助正確連接端口的連線。當(dāng)把連線工具放到端口上，接線頭就會彈出。接線頭還有一個(gè)黃色小標(biāo)識框，顯示該端口的名字。線型為波折號的連線表示壞線。出現(xiàn)壞線的原因有很多，例如：連接了兩個(gè)控制對象；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)。可以通過使用定位工具點(diǎn)擊壞線再按下Delete來刪除它。當(dāng) Vl 無法運(yùn)行，或者顯示信號丟失終端)的錯(cuò)誤信息時(shí)，這是一個(gè)快捷的調(diào)試方法。 當(dāng)前面板和程序框圖設(shè)計(jì)好以后，程序的執(zhí)行過程中可能會遇到很多方面的錯(cuò)誤，因此要對程序進(jìn)行調(diào)試。首先查找錯(cuò)誤，如果一個(gè)程序不能執(zhí)行，運(yùn)行按鈕會出現(xiàn)一個(gè)折斷的箭頭。點(diǎn)擊斷箭的運(yùn)行按鈕則會列出錯(cuò)誤清單，雙擊列表中的錯(cuò)誤清單，則出錯(cuò)的對象或端口就會高亮顯示。程序的調(diào)試方法主要有： （1）找出語法錯(cuò)誤如果一個(gè) VI 程序存在語法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)該按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。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)的對象或端門就會變成高亮。 （2）設(shè)置執(zhí)行程序高亮在 LabVIEW 的工具條上有一個(gè)畫著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行” 按鈕上。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI 程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。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。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì)15 （3）斷點(diǎn)與單步執(zhí)行為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，有時(shí)希望流程圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。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。斷點(diǎn)的顯示對于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點(diǎn)。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。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。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)。 （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(shí)的數(shù)據(jù)值。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。這時(shí)顯示器上會出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“ 探針” 命令，同樣可以為該連線加上一個(gè)探針。 該設(shè)計(jì)儀可以通過設(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。 該設(shè)計(jì)儀還提供了被測信號源以及三種檢驗(yàn)方式，用來檢驗(yàn)濾波器的濾波效果。 (1) 被測信號設(shè)置：(如圖 33 所示)被測信號設(shè)置欄共有三類九個(gè)數(shù)據(jù)輸入控制類控件。 ● 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。 ● 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(dú)選擇或同時(shí)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(shí)， 還需設(shè)置其幅值、 頻率與相位。 ● 公共類：采樣點(diǎn)數(shù)與采樣頻率。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(shù)設(shè)置： （如圖 34 所示）共有四個(gè)輸入控制類控件。 ● 濾波器類型：低通、高通、帶通、帶阻可選 。 ● 濾波器階次：必須大于 0 。 ● 低截止頻率：必須大于采樣頻率。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 。 ● 高截止頻率：當(dāng)濾波器類型選擇“ 帶通”和“帶阻” 時(shí)，必須大于低截止頻西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16率。當(dāng)濾波器類型選擇“ 低通 ”和“高通”時(shí)，無效！ (3) 濾波效果的演示 濾波效果可以從定性和定量兩個(gè)方面來檢驗(yàn)：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。再就是濾波前后的信噪比，此為定量。為了演示濾波效果，先設(shè)置被測信號和濾波器參數(shù)。 被測信號設(shè)置： 采樣點(diǎn)數(shù) 202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、正弦干擾信號幅值 2V、正弦干擾信號頻率 53Hz、有用信號相位 0、白噪聲幅值 0V。 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。 ● “濾波效果演示圖 ”—演示濾波的時(shí)域效果 如圖 35(a)所示，可以觀測到有用信號，被測信號，以及濾波后所得信號的時(shí)域效果圖。由于橫坐標(biāo)的原因，無法看清濾波效果，因此需要調(diào)整橫坐標(biāo)，(橫坐標(biāo)調(diào)整方法) ，橫坐標(biāo)調(diào)整后的效果如圖 35(b)所示，可以清楚的看出濾波效果：濾波后的波形已經(jīng)與有用信號十分接近，干擾信號已經(jīng)被濾去。 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(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 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 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 。 共 有 兩個(gè) 輸 入 控 制 類 控 件 和 兩 個(gè) 輸 出 顯 示 類 控 件 。 輸 入 控 制 類 控 件 ： “頻 譜 顯 示 模 式 ”選 擇 縱 坐 標(biāo) 。 Logarithmic 對 應(yīng) 20log|H(ω)|(dB)、 Linear 對 應(yīng) 幅 值 (V)； “頻 率 ”輸 入 頻 率 數(shù) 值 輸 出 顯 示 類 控 件 ： “幅 值 ”對 應(yīng) 所 輸 入 的 “頻 率 ”， 顯 示 當(dāng) 前 幅 值 —單 位西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。 “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 。 注 意 ： 由 于 橫 坐 標(biāo) 的 原 因 ， 無 法 看 清 濾 波 效 果