【正文】 頻率的信號(hào)予以很小的衰減，讓該部分信號(hào)順利通過；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。其次，論文介紹了數(shù)字濾波的基本理論及所涉及到的各種濾波算法，以及在 LabVIEW 環(huán)境下進(jìn)行虛擬數(shù)字濾波器（巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀)的軟件設(shè)計(jì)方法。因此，目前研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)技術(shù)要求不高、費(fèi)用低的數(shù)字濾波器是非常必要的。目前我國(guó)高檔臺(tái)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(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破度難。LabVIEW 是當(dāng)前用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和虛擬儀器開發(fā)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具,而且是一個(gè)基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，設(shè)計(jì)者可利用它方便快捷地建立自己的虛擬儀器程序而無需復(fù)雜的程序代碼編寫。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向，它是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上,由用戶設(shè)計(jì)和定義其功能,具有虛擬面板。數(shù)字濾波涉及到眾多的算法及應(yīng)用領(lǐng)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(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，而進(jìn)行比較完整的數(shù)字濾波分析需要購(gòu)置各種價(jià)格昂貴的專用儀器，這對(duì)于普通用戶來說存在一定的困難。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。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。個(gè)人儀器的設(shè)計(jì)思想代表了儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展水平的限制，編寫個(gè)人緒論3儀器的驅(qū)動(dòng)程序和人機(jī)交互界面是一項(xiàng)專門的技術(shù)工作，須由專業(yè)廠商才能完成，這種狀況使得個(gè)人儀器的推廣與應(yīng)用沒有形成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱 NI)在 1986 年提出來的，但其雛形可以追朔到 1981 年由美國(guó)西北儀器公司推出的 AappleII 為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。PC 機(jī)的出現(xiàn)使儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能。一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為新型的測(cè)控儀器的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)，另一方面，傳統(tǒng)的測(cè)控儀器越來越滿足不了科技進(jìn)步的要求，正是在這種形勢(shì)發(fā)展的推動(dòng)下，作為傳統(tǒng)儀器的革新產(chǎn)品——虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生了。工程師們無需苦于學(xué)習(xí)即可將自己的知識(shí)面擴(kuò)展到新的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)殚_發(fā)軟件本身己包容了新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)。這意味著更多的測(cè)試和控制工程師們將有新的機(jī)會(huì)開發(fā)更加完善的實(shí)時(shí)的嵌入式系統(tǒng)。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發(fā)的范圍。 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。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)未來的幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。此外，國(guó)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。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“ 航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀 ”將多臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。近兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。圖 1—1 反映了常見的虛擬儀器方案。PC 的出現(xiàn)使儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能。虛擬儀器主要是指這種方式。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種足將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例了就足所謂智能化的儀器。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。目 錄 V基于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)研發(fā)畢業(yè)論文目 錄1 緒論 ..............................................................1 虛擬儀器的概述 ................................................1 虛擬儀器概念 ...............................................1 虛擬儀器的現(xiàn)狀 .............................................11． 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比 ..................................3 課題研究的背景和意義 ..........................................3 本課題研究的主要內(nèi)容 ..........................................42 數(shù)字濾波器 ........................................................5 數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介 ................................................5 濾波及數(shù)字濾波器 ...........................................5 數(shù)字濾波器的分類 ...........................................5 數(shù)字濾波器的基本原理 ..........................................7 算法和數(shù)字濾波理論基礎(chǔ) ..................................7 數(shù)字濾波器算法 ..........................................83 基于 LABVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì) .....................11 虛擬數(shù)字濾波器的總體設(shè)計(jì)思路 .................................11 虛擬數(shù)字濾波器的功能 .........................................11 虛擬數(shù)字濾波器的軟件實(shí)現(xiàn) .....................................11 虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái) LABVIEW 簡(jiǎn)介 ............................11 巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì) ............................154 虛擬數(shù)字濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析 ...................................23 虛擬數(shù)字濾波器的儀表功能 .....................................23 程序的調(diào)試 ...................................................23 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與思考 ...............................................385 結(jié)論與展望 .......................................................39致 謝 .............................................................41參 考 文 獻(xiàn) ........................................................43附 錄 ..............................................................45緒論11 緒論 虛擬儀器的概述 虛擬儀器概念 英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)的定義：虛擬儀器是在通用計(jì)算機(jī)(如 PC 機(jī)、Mac 或工作站)中加上軟件和或硬件，并使用計(jì)算機(jī)屏幕提供儀器虛擬界而的可重用測(cè)量?jī)x器。 NI 公司的定義：虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和硬件，使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就象是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用電子儀器。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。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越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器的起源可以追溯到 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、航天領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。在儀器計(jì)算機(jī)化領(lǐng)域中，NI 走到了前列，對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 長(zhǎng)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。 圖 11 虛擬儀器組建方案 虛擬儀器的現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)己有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試 被 測(cè) 對(duì) 象 信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 數(shù) 據(jù) 處 理 虛擬 儀器 面板 實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。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。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。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向?，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?，F(xiàn)在，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)科技的發(fā)展，利用更可靠的操作系統(tǒng)、功能更強(qiáng)大的處理器將更高一級(jí)的控制和確定性引入到虛擬儀器系統(tǒng)中。如 NI 的 LabVIEW RT(實(shí)時(shí)控制)的軟件即可以進(jìn)行 PC 上的開發(fā)，又可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。 現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)的進(jìn)步為代表，不斷創(chuàng)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，正以不可逆轉(zhuǎn)之勢(shì)從各個(gè)層面上影響著各行各業(yè)的技術(shù)革新，今天的測(cè)控儀器行業(yè)同樣經(jīng)歷著一場(chǎng)翻天覆地的變革。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。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)展起來的有別于傳統(tǒng)儀器的新概念。這種儀器與個(gè)人計(jì)算機(jī)的概念相適應(yīng)，當(dāng)時(shí)被稱為個(gè)人儀器。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，微軟公司 Windows 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的圖形支持功能得到很大提高。1． 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比傳統(tǒng)儀器主要依賴不同功能的硬件設(shè)備來完成實(shí)驗(yàn)，由于硬件功能的單一和固定，傳統(tǒng)儀器的功能受到限制。由此可以看出，基于計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展水平、基于軟件自定義來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展儀器功能等虛擬儀器的開放式特點(diǎn)，使得虛擬儀器和傳統(tǒng)意義上的儀器存在很大差別，具體如下表所示：表 l1 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器對(duì)比表虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵技術(shù)更新周期短（~1 年） 技術(shù)更新周期短（5~10 年）開發(fā)和維護(hù)費(fèi)低 開發(fā)和維護(hù)費(fèi)高價(jià)格低 價(jià)格高開放、靈活，與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 系統(tǒng)封閉、固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 不易于其他設(shè)備連接自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便 課題研究的背景和意義 數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的一種最基本而又極其重要的技術(shù)，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)。虛擬儀器(VI) 是測(cè)試儀器發(fā)展的一個(gè)全新模式。目前在我國(guó)應(yīng)用的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)主要有美國(guó) NI 公司的LabVIEW 及其相應(yīng)組件和 Agilent 公司的 HPVEE，其中 NI 的 LabVIEW 系列產(chǎn)品在我國(guó)使用比較廣泛。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發(fā)環(huán)境 LabVIEW 最終用戶看見的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。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，而且完全可以通過軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。 本課題研究的主要內(nèi)容首先，論文對(duì)虛擬儀器進(jìn)行概述，對(duì)比了與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，介紹了虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) LabVIEW。 最后，通過對(duì)巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的實(shí)驗(yàn)： （1）學(xué)習(xí)在演示儀上通過“濾波器參數(shù)設(shè)置” ，實(shí)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(hào)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，選取最優(yōu)的濾波參數(shù)。 由于計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的模擬濾波器，正在被精度高、靈活性高、可靠性強(qiáng)、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(cè)、生物醫(yī)學(xué)、電視、儀器、計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理主要是研究用數(shù)字或符號(hào)的序列來表示信號(hào)波形，并用數(shù)字的方式去處理這些序列，把它們改變成在某種意義上更為有希望的形式，以便估計(jì)信號(hào)的特征參量，或削弱信號(hào)中的多余分量和增強(qiáng)信號(hào)中的有用分量。 數(shù)字濾波器的分類 從數(shù)字濾波器的用途上分，可將其分為兩大類：一類稱為經(jīng)典濾波器,即一般的濾波器,特點(diǎn)是輸入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占有不同的頻帶,例如維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器。按處理的信號(hào)性質(zhì)來分有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩大類。模