基于Labview虛擬數(shù)字濾波器演示儀

1、基于Labview虛擬數(shù)字濾波器演示儀目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 緒論1. HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介 1. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法 3. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.1傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 3.

2、HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.2基于 Labview 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document Labview 設(shè)計(jì)實(shí)例 5. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.1前面板的設(shè)計(jì)5. HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.2程序框圖的設(shè)計(jì) 6. HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.3運(yùn)行結(jié)果8. HYPERLINK l b

3、ookmark36 o Current Document 總結(jié).9. HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 參考文獻(xiàn)1.0基于Labview虛擬數(shù)字濾波器演示儀 緒論目前，微機(jī)保護(hù)和二次信號(hào)處理軟件主要采用數(shù)字濾波器。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波 器設(shè)計(jì)使用繁瑣的公式計(jì)算，改變參數(shù)后需要重新計(jì)算，在設(shè)計(jì)濾波器尤其是高 階濾波器時(shí)工作量很大。利用LabVIEW（ Laboratory Virtual INSTRUMENTEngineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）使用 G 語(yǔ)言（Graphics Language圖形化編程語(yǔ)言）編程，可以快

4、速有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿 真。由于G語(yǔ)言編程具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此基于 LabVIEW 設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器具 有高效、靈活、界面友好、集成性強(qiáng)、費(fèi)用低、用戶自定義功能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。 本文主要通過(guò)一個(gè)已知的一個(gè)傳遞函數(shù)G（s）利用Labview設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中分析了數(shù)字濾波器的類型，以及如何用Labview具體進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。1.1設(shè)計(jì)任務(wù)用Labview設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬數(shù)字濾波器演示儀,本演示儀實(shí)現(xiàn)的一種濾波器，其傳遞函數(shù)為：H(s)二，并提供正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器生成正弦波，可觀察正弦波通過(guò)該傳遞函數(shù)H（s）后的波形；必須要有詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。1.2數(shù)字濾波器簡(jiǎn)介濾波器是一種使有用頻率信

5、號(hào)通過(guò)同時(shí)抑制（或大為衰減）無(wú)用頻率信號(hào) 的裝置。工程上常將它用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑?jǐn)?shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)分析 中的重要組成部分，它的輸入和輸出信號(hào)都是離散的，與模擬濾波器相比，它具 有準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性高，系統(tǒng)函數(shù)容易改變，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，因而數(shù)字濾波器在 工程中得到了廣泛的應(yīng)用2。數(shù)字濾波器有多種分類，按頻率特性分類可以分 為：高通、低通、帶通、帶阻；按數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征分類可以分為： 有限沖激響應(yīng)濾波器(finite impulse response, FIR)和無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器(infinite impulse response, IIR)FIR濾波器的沖擊響應(yīng) h(n)是有

6、限序列，IIR濾 波器的沖擊響應(yīng)h(n)是無(wú)限序列的。數(shù)字濾波器的差分方程可以用下式表示：NMv()=工-fr) + y k)式中，x(n)為輸入序列，y(n)為輸出序列，k a、k b分別為輸出、 輸入序列的系數(shù)。數(shù)字濾波器對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為：A/V btzkH=需=1 一工口以.Ef 宀?i當(dāng)k a不全為0時(shí)，為IIR濾波器；當(dāng)k a全為0時(shí)，為FIR濾波器。從性能上看，F(xiàn)IR濾波器和IIR濾波器各有優(yōu)點(diǎn)：FIR濾波器可以得 到嚴(yán)格的線性相位；但是需要較多的存儲(chǔ)器和較長(zhǎng)的運(yùn)算， 成本比較高，信號(hào)延 時(shí)也較大。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得很高的選擇特性， 所用存儲(chǔ)單元少， 運(yùn)算次數(shù)少，效率

7、高的優(yōu)點(diǎn)；但是相位是非線性的，且選擇性越好其相位非線性 越嚴(yán)重。2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法2.1傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法數(shù)字濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可歸納為以下三個(gè)步驟：按照實(shí)際需要確定濾波器的性能要求。用一個(gè)因果穩(wěn)定的系統(tǒng)函數(shù)(即傳遞函數(shù))去逼近這個(gè)性能要求。此函 數(shù)可以分為兩類：即IIR傳遞函數(shù)和FIR傳遞函數(shù)。用一個(gè)有限精度的運(yùn)算去實(shí)現(xiàn)這個(gè)傳遞函數(shù)。FIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是確定能滿足要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)， 設(shè) 計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。目前，F(xiàn)IR濾波器 設(shè)計(jì)沒(méi)有封閉的設(shè)計(jì)公式。雖然窗函數(shù)法對(duì)窗口函數(shù)可給出計(jì)算公式， 但計(jì)算通 帶與阻帶衰減仍無(wú)計(jì)算公式。FIR濾波器的設(shè)

8、計(jì)只有計(jì)算程序可循，因此對(duì)計(jì)算 工具要求較高，不用計(jì)算機(jī)編程一般很難實(shí)現(xiàn)。IIR濾波器的設(shè)計(jì)源于模擬濾波器設(shè)計(jì)，它通過(guò)對(duì)低通濾波器進(jìn)行模擬 頻率變換得到。常用的IIR濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、切比雪 夫U濾波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器。目前，IIR濾波器的設(shè)計(jì)可以借助模 擬濾波器的成果，有封閉形式的設(shè)計(jì)公式，對(duì)計(jì)算工具的要求不高。IIR濾波器的設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但脫離不了模擬濾波器的設(shè)計(jì)模式，主要 用于設(shè)計(jì)低通、高通、帶通及帶阻濾波器。而 FIR濾波器的設(shè)計(jì)要靈活得多， 尤其是頻率采樣設(shè)計(jì)法更易適應(yīng)各種幅度特性和相位特性的要求。2.2基于Labview的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)2.2.1La

9、bview 簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW 是Nl ( National INSTRUMENT，美國(guó)國(guó)家儀器)公司推出的 一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器(virtual INSTRUMENT，VI)開發(fā)工具。LabVIEW 編程使用圖形化語(yǔ)言，它是非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員使用的工具，它為設(shè)計(jì)者提供了一 個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，因此，LabVIEW 在世界范圍內(nèi)的眾多領(lǐng)域如航空、 航天、通信、電力、汽車、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用4。LabVIEW 有兩個(gè)基本窗口：前面板窗口和流程圖窗口。編譯環(huán)境下顯 示兩個(gè)窗口，前面板用于放置控制對(duì)象和顯示對(duì)象，控制對(duì)象相當(dāng)于常規(guī)儀器的控制和調(diào)節(jié)按鈕；前面板用于顯示程序運(yùn)行結(jié)果，相當(dāng)于常規(guī)

10、儀器的顯示屏幕或 指針。流程圖窗口用于編寫和顯示程序的圖形源代碼，它相當(dāng)于語(yǔ)言編程中一行行的語(yǔ)句，它由各種能完成一定功能的模塊通過(guò)連線連接而成。當(dāng)編寫的 LabVIEW 程序調(diào)試無(wú)誤后，可將程序編譯成應(yīng)用程序(EXE文件)。此時(shí)，設(shè) 計(jì)的虛擬儀器可以脫離LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶只需通過(guò)前面板進(jìn)行控制和觀 測(cè)。222數(shù)字濾波器的Labview實(shí)現(xiàn)利用文本軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器在使用過(guò)程中往往出現(xiàn)難以調(diào)整波形系數(shù)， 與硬件接口程序復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。而使用LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器不僅 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且使用起來(lái)要比利用文本文件實(shí)現(xiàn)的濾波器方便得多。LabVIEW為設(shè)計(jì)者提供了 FIR和IIR

11、濾波器VI，使用起來(lái)非常方便， 只需要輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可，不需要進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)設(shè)計(jì)和大量的運(yùn)算。濾波器VI位于LabVIEW流程圖面板的函數(shù) 信號(hào)處理 濾波器上。不同濾波器VI濾波時(shí)均有各自的特點(diǎn)，因此它們用途各異。在利用 LabVIEW實(shí)現(xiàn)濾波功能時(shí)，選擇合適的濾波器是關(guān)鍵，在選擇濾波器時(shí)，可參 照不同濾波器的特點(diǎn)，考慮濾波的實(shí)際要求來(lái)選擇合適的濾波器。各種濾波器的特點(diǎn)及選擇濾波器的步驟見圖1。Ji b i I：是育允許44?I-桃 M閨1濾誠(chéng)為選捋歩驟圖1濾波器選擇步驟3.Labview設(shè)計(jì)實(shí)例我們知道本次設(shè)計(jì)任務(wù)的傳遞函數(shù)為：G(s)=t*s心+(ts/a)，對(duì)其變形后得到G(s)=

12、a*s/(a/t)+s)。分析前面的設(shè)計(jì)任務(wù)再結(jié)合常見的濾波器傳遞函數(shù)可知本次 任務(wù)設(shè)計(jì)的是一階高通濾波器。其G0為a, wc為a/t。這里我們可以實(shí)用Labview 函數(shù)中的濾波器一一巴特沃斯濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面是用Labview設(shè)計(jì)步驟。圖3幾種常用的濾波器傳遞函數(shù)3.1前面板的設(shè)計(jì) 打開Iabview8.5中文版，新建一個(gè)VI。在其前面板中選擇控件圖形顯示控件波形圖。放置四個(gè)波形顯示控件，并修改其名字為sin(x1), sin(x2),疊加后濾波前，疊加后濾波后。他們分別用來(lái)顯示正弦波一，正弦波二，疊加后 的波形，疊加后經(jīng)過(guò)濾波器的波形。 控件 express 數(shù)值輸入控件，放置七個(gè)數(shù)值輸

13、入控件，并分別命名 為sin(x1)頻率，sin(x2)頻率，階數(shù)，低截止頻率，高截止頻率，濾波器類型，采 樣頻率。 控件express數(shù)值輸入控件轉(zhuǎn)盤，放置一個(gè)用于調(diào)節(jié)兩正弦波 幅值的旋鈕，將其命名為“幅值”前面板的具體設(shè)置情況如圖3.1Form lj La Resuh也ti旦陛 *戲!1奇ft血Formulj肌汕t S&斕H也 區(qū)楞:車h 刖Spa汕一寸仏嘩止圖3.1前面板的設(shè)計(jì)3.2程序框圖的設(shè)計(jì)由于本次設(shè)計(jì)的是一個(gè)一階高通濾波器，與傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法不同，采用Labview軟件設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)用本軟件中已有的濾波器，然后設(shè)定一些參數(shù)即 可完成規(guī)定的要求。這里我們采用 Labview8.

14、5中文版中的函數(shù)信號(hào)處理一濾波器butterworth濾波器來(lái)完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)。3.2.1程序框圖設(shè)計(jì)步驟1打開前面建立好的VI，切換到程序框圖窗口。 函數(shù)一一信號(hào)處理一一波形生成一一正弦波形。放置兩個(gè)正弦波發(fā)生控件。函數(shù)一一數(shù)學(xué)一一腳本與公式一一公式，放置一個(gè)用于將兩個(gè)波疊加的控 件。右擊該VI，選擇屬性，在彈出的窗口中配置公式：x1+x2。 函數(shù)信號(hào)處理濾波器butterworth濾波器，放置一個(gè)常用的巴特沃斯濾波器。將程序框圖的所有器件按照?qǐng)D3.2所示連接好 函數(shù)編程結(jié)構(gòu)while循環(huán)，構(gòu)建一個(gè)while循環(huán)。運(yùn)行觀察結(jié)果并保存該VI。AJ |-IaJ |-iA言戳止曆言戳止曆sinfx

15、l5irijc2)XIX2團(tuán)filter type 2向.ESI圖3.2程序框圖的設(shè)計(jì)322部分函數(shù)功能簡(jiǎn)介星號(hào)率值位 移信頻幅擁 偏査信號(hào)輸出措課輸出(1)正弦波發(fā)生器1 錯(cuò)誤輸入(西錯(cuò)誤)1采樣信息 3 UU*，頻率 是波形頻率，以赫茲為單位。默認(rèn)值為10。幅值是波形的幅值。幅值也是峰值電壓。默認(rèn)值為1.0相位一一是波形的初始相位，以度為單位。默認(rèn)值為0。如重置信號(hào)的值為FALSE，VI將忽略相位信號(hào)輸出一一是生成的波形(2) Butterworth 濾波器采祥頻率：住 高截止頻率：h 低截止頻率：1 階數(shù)-濾波后:錯(cuò)課初始化/連續(xù)C初始化:F )濾波器類型一一指定濾波器的通帶。X是濾波器

16、的輸入信號(hào)。采樣頻率 fs是采樣頻率并且必須大于0。默認(rèn)值為1.0。如采樣頻率： fs小于等于0, VI將把濾波后X設(shè)置為空數(shù)組并返回錯(cuò)誤。高截止頻率一一fh是高截止頻率。默認(rèn)值為0.45。如濾波器類型為0(lowpasS或1 ( highpas9 , VI將忽略該參數(shù)。濾波器類型為 2 (Bandpass或3 (Bandstop時(shí)，高截止頻率：fh必須大于低截止頻率：fl并且滿足Nyquist準(zhǔn)貝U。低截止頻率一一fl是低截止頻率并且必須滿足 Nyquist準(zhǔn)貝U。默認(rèn)值為0.125。 如低截止頻率：fl小于0或大于采樣頻率的一半，VI將把濾波后X設(shè)置為空數(shù) 組并返回錯(cuò)誤。濾波器類型為 2

17、(Bandpass)或3 (Bandstop時(shí)，低截止頻率：fl 必須小于高截止頻率：fh。階數(shù)一一指定濾波器的階數(shù)并且必須大于0。默認(rèn)值為2。如階數(shù)小于等于0, VI將把濾波后X設(shè)置為空數(shù)組并返回錯(cuò)誤。濾波后X該數(shù)組包含濾波后的采樣。3.3運(yùn)行結(jié)果當(dāng)設(shè)置正弦波一的頻率為1Hz,正弦波2的頻率為12Hz時(shí)，選擇高通且低截止頻率為8Hz時(shí)的運(yùn)行波形如圖3.3：新門伍Fcurmula Remit0Q.25 仇5 0.75aiiffljfl.M 12.00iHiS0.40.6Foirmul#0主0.204 Mma型淸趙若Formula Riesuhil侖亶 11 施:fh圖3.3運(yùn)行時(shí)結(jié)果總結(jié)利用Labview實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波，采用了圖形語(yǔ)言編程，與采用文本語(yǔ)言編程 相比，能縮短40%70%的開發(fā)時(shí)間；與硬件儀器相比，又具有容易調(diào)整濾波器 類型、降低成本、濾波效果直觀等優(yōu)點(diǎn)?；贚abview編寫的程序還可以將其作為子程序在其他虛擬儀器系統(tǒng)中調(diào)用，大大增強(qiáng)了程序的通用性?，F(xiàn)在，我對(duì)基于Labview的虛擬儀器設(shè)計(jì)具備較為基本的了解， 今后將進(jìn)行 不懈的探究，希望能熟練地掌握它。而這一次，我發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)好它的一個(gè)有效方法 就是動(dòng)腦動(dòng)手進(jìn)行一些開發(fā)和設(shè)計(jì)，在開發(fā)和設(shè)計(jì)的過(guò)程中去思考和學(xué)習(xí)，邊學(xué) 邊用，則能真正的理解原理和過(guò)程，達(dá)到掌握相關(guān)知