基于labview的虛擬濾波器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-16 12:33 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 四 設(shè)計(jì)原理 DAQ采集模塊建立DAO助手DAQ為：函數(shù)→測量I/O→DAQmx數(shù)據(jù)采集→DAQ助手。根據(jù)用戶需用的波形及參數(shù)，將用示波器輸出所需波形，經(jīng)DAQ采集數(shù)據(jù)后在示波器上顯示。 輸入模擬信號(hào)和噪音模塊 輸入信號(hào)在設(shè)計(jì)中需要一個(gè)常規(guī)的波形，如正弦波、直流波、三角波、鋸尺波或方波，并且可設(shè)置信號(hào)頻率、幅值、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù) 噪音可加入不同類型與大小的噪聲，因?yàn)樵趯?shí)際過程中噪音是不能已知的，所以在模擬過程中要嘗試不同類型的噪音，以便確保設(shè)計(jì)的濾波器可以對(duì)任何噪音都有一定的濾波作用。在我的設(shè)計(jì)中我選用了高斯白噪音為例進(jìn)行了研究。 IIR濾波器 濾波器類型按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。 低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。 帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過巴特沃斯響應(yīng)（最平坦響應(yīng)） 巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦，接近DC信號(hào)，然后慢慢衰減至截止頻率點(diǎn)為3dB，最終逼近20ndB/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用，其對(duì)于維護(hù)增益的平坦性來說非常重要。貝塞爾響應(yīng)除了會(huì)改變依賴于頻率的輸入信號(hào)的幅度外，濾波器還會(huì)為其引入了一個(gè)延遲。延遲使得基于頻率的相移產(chǎn)生非正弦信號(hào)失真。就像巴特沃斯響應(yīng)利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣，貝塞爾響應(yīng)最小化了通帶的相位非線性。切貝雪夫響應(yīng)在一些應(yīng)用當(dāng)中，最為重要的因素是濾波器截?cái)嗖槐匾盘?hào)的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。附錄A包含了設(shè)計(jì)多達(dá)8階的具巴特沃斯、貝塞爾和切貝雪夫響應(yīng)濾波器所需參數(shù)的表格。其中兩個(gè)表格用于切貝雪夫響應(yīng)∶；另一個(gè)用于1dB最大通帶紋波。 FIR濾波器 窗1)矩形窗矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗。矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過了矩形窗。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象?！?) 三角窗三角窗亦稱費(fèi)杰（Fejer）窗，是冪窗的一次方形式。與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無負(fù)旁瓣。3) 漢寧（Hanning）窗漢寧窗又稱升余弦窗，漢寧窗可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和，或者說是 3個(gè) sine（t）型函數(shù)之和，而括號(hào)中的兩項(xiàng)相對(duì)于第一個(gè)譜窗向左、右各移動(dòng)了 π/T，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能。可以看出，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則顯著減小，從減小泄漏觀點(diǎn)出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗．但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。 4) 海明（Hamming）窗海明窗也是余弦窗的一種，又稱改進(jìn)的升余弦窗。海明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同。海明窗加權(quán)的系數(shù)能使旁瓣達(dá)到更小。分析表明，海明窗的第一旁瓣衰減為一42dB．海明窗的頻譜也是由3個(gè)矩形時(shí)窗的頻譜合成，但其旁瓣衰減速度為20dB／（10oct），這比漢寧窗衰減速度慢。海明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數(shù)。5) 高斯窗高斯窗是一種指數(shù)窗。高斯窗譜無負(fù)的旁瓣，第一旁瓣衰減達(dá)一55dB。高斯富譜的主瓣較寬，故而頻率分辨力低．高斯窗函數(shù)常被用來截?cái)嘁恍┓侵芷谛盘?hào)，如指數(shù)衰減信號(hào)等。對(duì)于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求。如果僅要求精確讀出主瓣頻率，而不考慮幅值精度，則可選用主瓣寬度比較窄而便于分辨的矩形窗，例如測量物體的自振頻率等；如果分析窄帶信號(hào)，且有較強(qiáng)的干擾噪聲，則應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對(duì)于隨時(shí)間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來提高信噪比。不同的窗函數(shù)對(duì)信號(hào)頻譜的影響是不一樣的，這主要是因?yàn)椴煌拇昂瘮?shù)，產(chǎn)生泄漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)的截?cái)喈a(chǎn)生了能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又產(chǎn)生了柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是我們可以通過選擇不同的窗函數(shù)對(duì)它們的影響進(jìn)行抑制。(矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識(shí)別精度最高，幅值識(shí)別精度最低；布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識(shí)別精度最低，但幅值識(shí)別精度最高) 幅值、相位的設(shè)計(jì)想要得到選擇濾波器的相關(guān)性能，則需在有限長單位沖激函數(shù)的激勵(lì)下，顯示器相應(yīng)的幅值，相位情況，計(jì)算幅值是用20log DB 作為顯示，計(jì)算相位是用虛擬儀器中的展開相位功能進(jìn)行顯示，通過對(duì)輸入波，濾后波，及窗濾波器本身的幅值，相位特性的顯示，便于觀察，計(jì)算和比較。五 程序設(shè)計(jì) 控件使用信號(hào)發(fā)生器及DAQ,輸入一個(gè)正弦波信號(hào)，選用高斯白噪音作為噪音信號(hào) 噪音： 程序
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