1、I基于 LabVIEW 的虚拟滤波器设计目 录摘 要 .1Abstract .2第一章 虚拟仪器 .31.1 引言 .31.2 虚拟仪器的概念 .41.3 虚拟仪器的工作原理 .51.4 虚拟仪器的设计与实现步骤 .51.4.1 前面板的设计 .51.4.2 流程图的设计 .6第二章 滤波器 .72.1 滤波器的简单介绍 .72.2 数字滤波器的分类 .72.2.1 按冲激响应 h(n)的长度分类 .72.2.2 按有无递归结构分类 .82.2.3 按频域特点分 .82.3 数字滤波器的一般分析、设计方法 .82.4 数字滤波器的主要性能指标 .10第三章 设计实现 .133.1 滤波器及 L
2、ab VIEW 实现 .133.2 在 labVIEW 中设计滤波器 .133.3 调试过程及结果 .153.3.2 高通滤波功能 .173.3.3 其他类型滤波器 .19总结与展望 .20II参考文献 .22致谢 .231摘 要随着电子技术和计算机技术的快速发展以及价格不断下降，传统的电子技术设计观念，使原来需硬件完成的功能，现在能由软件实现。例如仪器面板和数字滤波等，实现硬件软件化。而不少硬件难以实现的功能，例如复杂的信号分析，数据统计和三维图像显示等，在计算机中则较容易实现。在市场的需求和相关技术支持下，促使了基于个人计算机的测控仪器虚拟仪器的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得
3、它成为了一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。本文设计的虚拟数字滤波器的系统工作原理是，对模拟信号进行数据采集后，根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应的分析、处理，并在屏幕上显示处理结果。本设计所采用的软件是美国NI公司推出的LabView。LabVIEW 是一种基于图形化编程语言的开发环境，具有十分强大的数据库。它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。是目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件之一。关键词： 滤波器；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW2AbstractAlong with the
4、electronic technology and the rapid development of computer technology and the price drops ceaselessly, traditional electronic technology design idea, so that the original hardware complete function, can now be realized by software. For example, instrument panel and digital filtering, implementation
5、 of hardware and software. While many hardware to realize the functions, such as the complex signal analysis, data statistics and three-dimensional image display, on a computer is realized easily. In the market demand and technical support, prompting a PC based measurement and control instruments -
6、virtual instrument development. Virtual instrument computer use powerful processing ability, make it become a good tool, it is used more and more widely. Compared with the traditional instrument, virtual instrument in intelligence, processing capability and maneuverability and so on has the obvious
7、technical superiority.In this paper, the design of the virtual digital filter system working principle is carried out on the analog signal, data acquisition, according to the different requirements of users by software for data corresponding to the analysis, processing, and the screen displays the p
8、rocessing result.The design of the software is introduced by American NI Corporation LabView. LabVIEW is a graphical programming language based development environment, have very powerful database. It is a virtual instrument designer provides a convenient, easy design environment. Is currently the m
9、ost widely used software of virtual instrument development platform.Keywords: Wave filter,Virtual instrument,Data acquisition,Labview3第一章 虚拟仪器1.1引言虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。由于现代计算机技术和信息技术的
10、迅猛发展，犹如滚滚长江东流水，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。 近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。传输介质
11、组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。因此，这种“监控软件数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论。与传统的仪器不同，虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心， “软件就是仪器” ，从本质上反映了虚拟仪器的特征。 虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种。一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有 Lab Windows
12、/CVI、Visual Basic、VC+等。另一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有 Lab View 和 Hp Vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，4可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。 1.2 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测
13、量仪器。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略的说，这种结合有两种方式。一种方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。一种典型的虚拟仪器结构如图 1-1 所示传 感 器 信号调理器数据采集卡 传 感 器 应用软件计算机被测对象图 1-1 典型的虚拟仪器结构与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具
14、体表现为：(1)智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程序主要取决去仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。(2)复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过5与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。(3)可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操
15、作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可以打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。1.3 虚拟仪器的工作原理虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图 1-2 所示。虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数” 、 “通道”等参数；由各种显示控件
16、以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。图 1-2 虚拟仪器的功能模块 1.4 虚拟仪器的设计与实现步骤1.4.1 前面板的设计前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实滤波器的前面板。由于虚PCDAQ 采集器串口仪器GPIB 仪器VXI 仪器PXI 仪器数字滤波统计分析信号处理磁盘复制文件 I/O图形用户接口网络传输6拟面板直接面向用户，是虚拟滤波器控制软件的核心。在设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各种按钮、开关等控键来控制虚拟滤波器的工作。实际
17、中的待测信号可以由 数据采集卡实时采集滤波，也可以由数据采集卡采集后保存为 LabVIEW 所能够识别的文件形式，之后再由 LabVIEW 进行分析滤波。在这里用基本的信号(正弦波，余弦波，方波，锯齿波)来模拟原始信号。程序采用窗函数法的计算流程，将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。使用者可对原始信号，噪声信号和滤波器参数进行设置。原始信号的波形图，滤波的结果都可得到实时显示。这样，在程序成功的运行后就可以从显示区得到结果，使结果更为直观的反映出来。1.4.2 流程图的设计框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点类似于文本语言程序的语句、函数或者 子程序。框图中的每一
18、个对象端点与前面板上的对象(控制或显示)一一对应。不同的线型代表不同的数据类型，在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。7第二章 滤波器2.1 滤波器的简单介绍在无线电通信、非电量及微弱信号检测、电视接收机、自动控制等电路中，所能接收到的信号通常都是很微弱的，且其中还湿杂有无用或有害的信号，这对电路的正常工作将会造成影响。为了消除这种影响，就需要用滤波器，便有用信号频率能比较顺利地通过，而将无用及有害的信号滤掉，或让它们受到较大的衰减。用电感器和电容器所组成的滤波器属无源滤波器，具有成本低、电路简单的特点。按工作频率的范围，可分为低通滤波器、高通滤波器及带通滤波器。低通滤波器只有低频信号
19、能通过而高频信号不能通过;高通滤波器只有高频信号能通过而低频信号不能通过;带通滤波器只有某一个通频带范围内的信号能通过，而在此之外的其他频率的信号不能通过。滤波器可广义地理解为一个信号选择系统。它让某些信号成分通过又阻止或衰减另一些成分。在更多地情况下，被窄义地理解为选频系统，如低通、高通、带通、带阻。频域与时域均衡器也是一种滤波器，通信系统的传输媒介如明线、电缆等从特性看也是滤波器。滤波器如系统一样可分为三类：模拟滤波器、采样滤波器和数字滤波器.模拟滤波器（AF）可以是由 RLC 构成的无源滤波器，也可以是加上运放的有源滤波器，它们是连续时间系统。采样滤波器（SF ）由电阻、电容、电荷转移器
20、件、运放等组成，属于离散时间系统，其幅度是连续的。开关电容滤波器、电荷耦合滤波器军属这类滤波器。数字滤波器（DF）由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲滤波器及逻辑单元等数字电路构成。它精度高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用，能够完成一些模拟滤波器完成不了的滤波任务。其缺点是需要抽样、量化、编码，以及手时钟频率所限，所能处理的信号最高频率还不够高。另外，由于有限字长效应会造成域设计值的频率偏差、量化和运算噪声及极限环振荡。2.2 数字滤波器的分类82.2.1 按冲激响应h(n)的长度分类 分为有限冲激响应（FIR ） DF 和无限冲激响应（IIR）DF 两种。冲激响应本来是用于模
21、拟系统，指系统对冲激函数 的响应。发展到数字滤波器后，工程上仍沿用)(t这个名称，与单位抽样响应和单位脉冲响应的说法通用。2.2.2 按有无递归结构分类 分为递归型和非递归型。递归表现为实现过程中出现反馈回路。即将某些输出量反馈到原输入点与原输入量相加。一般来说，IIR DF 的 H(z)有分母，须用递归型结构实现；FIR DF 的 H(z)无分母，用非递归型结构实现。但是 FIR DF 也可以用递归型结构实现。尽管 IIR、FFR 与递归非递归有着密切的关系，但它们毕竟是从不同的角度看问题，在概念上不能混为一谈。2.2.3 按频域特点分 分为低通滤波器（LP DF）、高通滤波器(HP DF)
22、、带通滤波器（BP DF）和带阻滤波器（BS DF ）四种。四、按同时处理的变量的个数分分为一维和多维滤波器。一维滤波器的输入、输出、冲激响应和频响分别是 x(n)、y(n)、h(n)、和 H(ej),二维滤波器分别是 x(n,m)、 y(n,m)、h(n,m)和 H(ej1,ej2) ,三维和三维以上类推。一位滤波器最常用。二维滤波器主要用于图象处理，其用途日益广泛。分类的方法还有很多，比如线性滤波器和非线性滤波器、时变 DF 和非时变 DF、纯振幅 DF 和纯相位 DF、线性相位 DF 和非线性相位 DF 等等。2.3 数字滤波器的一般分析、设计方法对数字滤波器的分析，主要是考察它再频域和时域两个方面体现的一些特性。频域：幅频特性，相位特性，群延迟特性。 舍入噪声（平均噪声功率、噪声譜）。
