計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)二數(shù)字濾波

1、學(xué)院：* 班級(jí)：* 姓名：* 學(xué)號(hào)：*實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)：數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)：普通所屬課程名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法；2研究濾波器參數(shù)的變化對(duì)濾波性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求1設(shè)計(jì)一個(gè)帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號(hào)和正弦信號(hào)輸入的模擬加法電路；2設(shè)計(jì)并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；3設(shè)計(jì)并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。4、實(shí)驗(yàn)原理1）在許多信息處理過(guò)程中，如對(duì)信號(hào)的濾波，檢測(cè)，預(yù)測(cè)等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中廣泛使用的一種線性環(huán)節(jié)，它從本質(zhì)上說(shuō)是將一組輸入的數(shù)字序列通過(guò)一定規(guī)則的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M希望輸出的數(shù)字序列。一般

2、可以用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種是用數(shù)字硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是用計(jì)算機(jī)的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)數(shù)字濾波器，它所表達(dá)的運(yùn)算可用差分方程來(lái)表示：2）一階數(shù)字濾波器及其數(shù)字化一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為 （=RC）利用一階差分法離散化，可以得到一階數(shù)字濾波器的算法： 其中TS為采樣周期，為濾波器的時(shí)間常數(shù)。TS和應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻譜來(lái)選擇。3高階數(shù)字濾波器高階數(shù)字濾波器算法很多，這里只給出一種加權(quán)平均算法：其中權(quán)系數(shù)滿足：。同樣，也根據(jù)信號(hào)的頻譜來(lái)選擇。三、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料1THTJ-1型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2THVLW-1型USB數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、USB電纜線各1根)3PC機(jī)1臺(tái)(含上位機(jī)軟件

3、“THTJ-1”)四、實(shí)驗(yàn)方法、步驟及結(jié)果測(cè)試1、實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備1.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THTJ-1，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；1.2打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱“電源總開(kāi)關(guān)”，按圖1接線，先將 “信號(hào)發(fā)生器”單元輸出端連接到采集卡的“AD1”通道,并選擇方波輸出。在虛擬示波器觀測(cè)方波信號(hào)的頻率和幅值，然后調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”電位器，使方波信號(hào)的頻率和幅值分別為4Hz，2V。然后斷開(kāi)與采集卡的連接，將“信號(hào)發(fā)生器”單元輸出端連接到“尖脈沖單元”單元輸入端，產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖信號(hào)Uo；1.3按圖2連接電路，其中正弦信號(hào)來(lái)自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”輸出端，尖脈沖信號(hào)來(lái)自“尖脈沖單元”單元輸出端。圖2的

4、輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的“AD1”輸入端相連，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集卡的“DA2”輸出端與“AD2”輸入端相連；2、腳本程序運(yùn)行2.1點(diǎn)擊軟件工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)，打開(kāi)腳本編輯器窗口；2.2在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中“數(shù)字濾波”腳本程序并打開(kāi)，閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為10ms；2.3點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”，用雙蹤示波器分別觀察圖2的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡輸出端“DA2”的波形。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，改變方波信號(hào)的頻率

5、(即尖脈沖干擾信號(hào)的頻率)。觀察數(shù)據(jù)濾波器的濾波效果；2.4點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數(shù)Ts(注：修改Ts時(shí)要同步修改算法的運(yùn)行步長(zhǎng))、Ti兩個(gè)參數(shù)，然后再運(yùn)行該程序，在示波器上再次觀察參數(shù)變化對(duì)濾波效果的影響；2.5對(duì)于高階數(shù)字濾波器的算法編程實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)參考本實(shí)驗(yàn)步驟2.2、 2.3和2.4。不同的是打開(kāi)的腳本程序文件名為“數(shù)字濾波（高階）”，實(shí)驗(yàn)時(shí)程序可修改的參數(shù)為a1、a2、a3和采樣時(shí)間Ts。2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫(huà)出尖脈沖干擾信號(hào)的產(chǎn)生電路圖。 圖一把圖1產(chǎn)生的尖脈沖信號(hào)視為干擾信號(hào)，幅值=2V，頻率=4HZ

6、與一低頻正弦信號(hào),幅值=4V，頻率=8HZ,此信號(hào)由上位機(jī)的“腳本編輯器”編程輸出（DA1），輸入到圖2所示的兩個(gè)輸入端。（輸入信號(hào)：4Hz，2V的方波信號(hào)輸入，產(chǎn)生尖脈沖干擾信號(hào)。上位機(jī)的“腳本編輯器”編程從DA1輸出4V，8 Hz的正弦信號(hào)；） 圖2 測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生電路圖2一階數(shù)字濾波器的腳本程序。dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0 ,1 給通道一寫(xiě)0 opx=0 賦初值end sub 結(jié)束初始化子函數(shù)sub TakeOneStep (arg) 算法運(yùn)行函數(shù)pv = ReadData(1

7、) pv為當(dāng)前測(cè)量值op1=2*sin(x) 產(chǎn)生一正弦信號(hào)x=x+0.05 Ti=0.02 Ti為慣性數(shù)字濾波器的時(shí)間常數(shù)Ts=0.01 采樣時(shí)間10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx op1為濾波后的輸出，算法為Yk=（1-a）Xk+aYk-1opx=op2 賦值，為下一時(shí)刻做準(zhǔn)備if op2=4.9 then 輸出值限幅，op2上限為4.9op2=4.9end ifif op2=-4.9 then op2下限為-4.9 op2=-4.9end ifWriteData op1 ,1 通道1寫(xiě)入op1的值WriteData op2 ,2 通道2寫(xiě)入op2的值end su

8、b 結(jié)束算法運(yùn)行子函數(shù)sub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1 給通道一寫(xiě)0 WriteData 0 ,2 給通道二寫(xiě)0end sub 結(jié)束退出子函數(shù)3繪制加數(shù)字濾波器前、后的輸出波形，并分析程序中參數(shù)的變化對(duì)其濾波效果的影響。六、思考題1、一階數(shù)字濾波器的截止頻率fc如何選??？對(duì)一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)有什么影響？答：= 時(shí)間常數(shù)=RC 可以看出越小時(shí)間常數(shù)越大。時(shí)間常數(shù)越小，其濾波特性越好。2、采樣周期TS 對(duì)一階濾波效果有何影響？答：采樣頻率f= ，如果Ts太大，f就會(huì)變小，如果f小于信號(hào)的最大頻率兩倍，就會(huì)出現(xiàn)頻率混迭。3、濾波器的時(shí)間常數(shù)Ti對(duì)一階濾波效果有什么影響？答：時(shí)間常數(shù)越大，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)渡過(guò)程也越長(zhǎng)。4、采樣頻率對(duì)濾波效果有什么影響？答：采樣頻率必須至少是濾波信號(hào)中