基于LabVIEW的数字滤波器

《基于LabVIEW的数字滤波器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW的数字滤波器（85页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘 要I摘 要 随着微电子集成技术和微计算机技术的飞速发展，数字滤波器作为一种信号处理的重要测试仪器得到了更快的发展，不仅其功能越来越强、精度越来越高，而且外形越来越美观。但现有的数字滤波器价格普遍偏高，使其应用受到一定限制。充分利用虚拟现实技术研究功能强大、性价比高的虚拟数字滤波器，使之更好地满足实际应用的需求，具有很好的现实意义。本文利用功能强大的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW并通过分析数字滤波的基本理论及所涉及到的各种滤波算法，在此基础上进行了虚拟数字滤波器（巴特沃斯数字滤波器演示仪)的软件设计。通过在演示仪上“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器并通过观察“滤波效果

2、演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能，选取最优的滤波参数。最后对虚拟滤波器进行了实验，实验结果达到了预先的设计要求。 关键字：虚拟仪器,LabVIEW,数字滤波器西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTIIIABSTRACTWith the rapid development of microelectronics integration technology and micro computer technology, digital filters, as a kind of signal

3、 processing important test instrument get faster development, not only the function is more and more strong, precision more and more high, and the appearance more and more beautiful . However, the current digital filter prices are generally high, making it subject to certain restrictions in applicat

4、ion. Make full use of the virtual reality technology to develop cost-effective virtual digital filter which can better meet the needs of practical application, has the very good practical significance.In this paper, by a powerful graphical development platform LabVIEW virtual instrument and analyzin

5、g the basic theory of digital filtering and involved a variety of filtering algorithms ,We can make the software design of virtual of digital filter (Butterworth digital filter Demonstrator) By a filter parameter for low pass, high pass, band pass, band stop filter on the demonstrator and through th

6、e observation filtering demo map, the before and after filtering signal amplitude-frequency characteristics map and the amplitude-frequency characteristic map and the signal to noise ratio before and after filtering and distortion ,we can understand the features and functions of the filter and selec

7、t the optimal filter parameters. Finally, a virtual filter of the experimental results can meet the pre-design requirements. KEY WORDS: Virtual Instruments, LabVIEW, digital filter西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IV目 录 V目 录1 绪论 .11.1 虚拟仪器的概述 .11.1.1 虚拟仪器概念.11.1.2 虚拟仪器的现状.111.3 虚拟仪器与传统仪器的对比.31.2 课题研究的背景和意义 .31.3

8、 本课题研究的主要内容 .42 数字滤波器 .52.1 数字滤波器简介 .52.1.1 滤波及数字滤波器.52.1.2 数字滤波器的分类.52.2 数字滤波器的基本原理 .72.2.1FFT 算法和数字滤波理论基础.72.2.2IIR 数字滤波器算法.83 基于 LABVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计 .113.1 虚拟数字滤波器的总体设计思路 .113.2 虚拟数字滤波器的功能 .113.3 虚拟数字滤波器的软件实现 .113.3.1 虚拟仪器的开发平台 LABVIEW 简介.113.3.2 巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计.154 虚拟数字滤波器的调试及结果分析 .234.1 虚拟

9、数字滤波器的仪表功能 .234.2 程序的调试 .234.3 实验总结与思考 .385 结论与展望 .39致 谢.41参 考 文 献.43附 录.45西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）VI绪论11 绪论1.1 虚拟仪器的概述1.1.1 虚拟仪器概念 英国国家物理实验室(NPL)的定义：虚拟仪器是在通用计算机(如 PC 机、Mac 或工作站)中加上软件和或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界而的可重用测量仪器。 NI 公司的定义：虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器(virtual instrument

10、ion)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。粗略地说这种结合有两种方式，一种足将计算机装入仪器，其典型的例了就足所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。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。虚拟仪器的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在国防、航天领域已经有了相当的发展。PC 的出现使仪器的计算机化成为可能。在仪器计算机化领域中，NI 走到了前列，对虚拟仪器和 LabVIEW 长期的、

11、系统的和有效的研究开发使得 NI 公司成为业界公认的权威。图 11 反映了常见的虚拟仪器方案。 图 1-1 虚拟仪器组建方案1.1.2 虚拟仪器的现状 1.国内虚拟仪器发展现状 在国内己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、四川联合大学等。近两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试 被 测 对 象 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 数 据 处 理 虚拟 仪器 面板 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）2实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电

12、台二线综合测试仪”将多台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内己有几家企业在研制虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品己达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。国内专家预测未来的几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取

13、代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。 2.虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术融合了 PC 技术及商业科技如国际网络，促进测量和自动化技术的发展。现在，虚拟仪器技术正在利用 PC 范畴以外的最新的技术革新。例如，实时控制与嵌入式控制器也早已属于特殊程序开发的范围。现在，工业标准科技的发展，利用更可靠的操作系统、功能更强大的处理器将更高一级的控制和确定性引入到虚拟仪器系统中。这意味着更多的测试和控制工程师们将有新的机会开发更加完善的实时的嵌入式系统。如 NI 的 LabVIEW RT(实时控制)的软件即可以

14、进行 PC 上的开发，又可以实现实时控制的嵌入式应用系统的开发。工程师们无需苦于学习即可将自己的知识面扩展到新的应用领域，因为开发软件本身己包容了新兴的计算机技术。 现代技术的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术革新，今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。一方面，计算机技术的进步为新型的测控仪器的产生提供了技术基础，另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，正是在这种形势发展的推动下，作为传统仪器的革新产品虚拟仪器应运而生了。虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已

15、经有了相当的发展。PC 机的出现使仪器的计算机化成为可能。虚拟仪器就是在那个时期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。这个概念最早是由美国国家仪器公司(简称 NI)在 1986 年提出来的，但其雏形可以追朔到 1981 年由美国西北仪器公司推出的 AappleII 为基础的数字存储示波器。这种仪器与个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。个人仪器的设计思想代表了仪器技术与计算机技术相结合的发展趋势，但是由于当时计算机软件发展水平的限制，编写个人绪论3仪器的驱动程序和人机交互界面是一项专门的技术工作，须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广与应用没

16、有形成工业标准。从 20 世纪 80 年代中期开始，微软公司 Windows 操作系统的出现，使得计算机操作系统的图形支持功能得到很大提高。1986 年，NI 公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。11.3 虚拟仪器与传统仪器的对比传统仪器主要依赖不同功能的硬件设备来完成实验，由于硬件功能的单一和固定，传统仪器的功能受到限制。虚拟仪器的核心是软件，用户根据实验要求编写和重组软硬件系统模块，可以大幅提升和扩展仪器功能，满足的不同要求。由此可以看出，基于计算机软硬件发展水平、基于软件自定义来实现和扩展仪器功能

17、等虚拟仪器的开放式特点，使得虚拟仪器和传统意义上的仪器存在很大差别，具体如下表所示：表 l-1 虚拟仪器和传统仪器对比表虚拟仪器传统仪器 软件是关键硬件是关键技术更新周期短（0.51 年）技术更新周期短（510 年）开发和维护费低开发和维护费高价格低价格高开放、灵活，与计算机同步，可重复用和重配置系统封闭、固定可用网络联络周边各仪器不易于其他设备连接自动化、智能化、远距离传输功能单一，操作不便1.2 课题研究的背景和意义 数字滤波是数字信号处理领域的一种最基本而又极其重要的技术，利用滤波技术可以从复杂的信号中提取所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号。数字滤波涉及到众多

18、的算法及应用领域， 以递归或非递归的差分方程为表现形式，采用硬件、软件或软硬件相结合的方式实现，而进行比较完整的数字滤波分析需要购置各种价格昂贵的专用仪器，这对于普通用户来说存在一定的困难。虚拟仪器(VI)是测试仪器发展的一个全新模式。虚拟仪器是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物,是仪器发展的一个重要方向，它是在以计算机为核心的硬件平台上,由用户设计和定义其功能,具有虚拟面板。目前在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国 NI 公司的LabVIEW 及其相应组件和 Agilent 公司的 HP-VEE，其中 NI 的 LabVIEW 系列产品在我国使用比较广泛。LabVIEW 是当前用于

19、数据采集、信号处理和虚拟仪器开发的一个标准工具,而且是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）4具，设计者可利用它方便快捷地建立自己的虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码编写。它适用于多种操作系统,用 LabVIEW 设计的虚拟仪器程序可以脱离开发环境 LabVIEW 最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破度难。但是基于虚拟仪器的大力发展，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功

20、能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字滤波器是非常必要的。1.3 本课题研究的主要内容首先，论文对虚拟仪器进行概述，对比了与传统仪器的区别，介绍了虚拟仪器的软件开发平台 LabVIEW。其次，论文介绍了数字滤波的基本理论及所涉及到的各种滤波算法，以及在 LabVIEW 环境下进行虚拟数字滤波器（巴特沃斯数字滤波器演示仪)的软件设计方法。 最后，通过对巴特沃斯数字滤波器演示仪的实验： （1）学习在演示仪上通过“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器； （2）通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后

21、信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能，选取最优的滤波参数。数字滤波器5 2 数字滤波器 2.1 数字滤波器简介2.1.1 滤波及数字滤波器 滤波是信号处理领域的一种最基本而又极其重要的技术在有用信号的传输过程中，通常会受到噪声或干扰的污染利用滤波技术可以从复杂的信号中提取所需要的信号，同时抑制噪声或干扰信号，以便更有效地利用原始信号滤波器实际上是一种选频系统，它对某些频率的信号予以很小的衰减，让该部分信号顺利通过；而对其他不需要的频率信号则予以很大的衰减，尽可能阻止这些信号通过。 由于计算机和大规模集成电路技术的进步，传统的模拟滤波器，正在

22、被精度高、灵活性高、可靠性强、容易大规模集成数字滤波器所代替，因而在通信、雷达、卫星导航、音响技术、声纳、遥感遥测、生物医学、电视、仪器、计算机控制与应用等领域得到越来越广泛的应用。数字滤波是数字信号处理的一部分。数字信号处理主要是研究用数字或符号的序列来表示信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，把它们改变成在某种意义上更为有希望的形式，以便估计信号的特征参量，或削弱信号中的多余分量和增强信号中的有用分量。具体来说，凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、调制、解调、均衡、增强、压缩、估值、识别、产生等加工处理，都可纳入数字信号处理领域。2.1.2 数字滤波器的分类 从数字滤波器的用途上分，可将

23、其分为两大类：一类称为经典滤波器,即一般的滤波器,特点是输入信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带,通过一个合适的选频滤波器达到滤波的目的.而另一类现代滤波器,例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器。滤波器按选频的作用一般分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。按处理的信号性质来分有模拟滤波器和数字滤波器两大类。数字滤波是数字信号分析中重要的组成部分， 数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或滤除某些频率成分的器件。模拟滤波器在理论上和实践上都已经达到很高水平，但是在需要更多灵活性以及程序可控制性的场合，相对

24、于模拟滤波器数字滤波器具有以下显著的优点： 精度高：模拟电路中元件的精度很难达到3-10以上，而数字系统 17 位字长就可以达到5- 10精度。因此在一些精度要求很高的滤波系统中，就必须采用数字滤波器来实现。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）6 灵活性大：数字滤波器的性能主要取决于乘法器的各系数，而这些系数是存放在系统存储器中的，只要改变存储器存放的系数，就可以得到不同的系统，这些都比改变模拟滤波器系统的特性要容易和方便的多，因而具有很大的灵活性。 可靠性高：因为数字系统只有两个电平信号“0”和“1” ，受噪声及环境条件的影响小，而模拟滤波器各个参数都有一定的温度系数，易受温度、振动、

25、电磁感应等影响。并且数字滤波器多采用大规模集成电路，大规模集成电路的故障率远比众多分立元件构成的模拟系统的故障率低。 易于大规模集成：数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字滤波器电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格，因此产品的成品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，数字滤波器在体积、重量和性能方面的优势已越来越明显。 并行处理：数字滤波器的另外一个最大的优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器可以采用 DSP 处理器来实现并行处理。TI 公司 TMS320C5000 系列的 DSP 芯片采用 8 条指令并行处理的结构，时钟频率为 100MHZ 的 DSP

26、 芯片。 因此，数字滤波器在工程中得到广泛的应用。数字滤波器一般用两种方法来实现：一是采用通用计算机，把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，也就是采用计算机软件来实现；二是采用硬件电路(延迟器、乘法器、加法器等)来实现数字滤波处理。 按冲激响应的宽度，数字滤波器又可分为无限冲激响应滤波器（IIR）或者递归数字滤波器和有限冲激响应滤波器（FIR）或者非递归数字滤波器两大类。冲激响应就是滤波器对于输入的冲激信号(X0=1，且对于所有 i0，Xi=0)的响应叫做滤波器的冲激响应。如果冲激响应一直保持，那么这个滤波器被称为无限冲激响应(IIR)滤波器。但是，如果滤波器的冲激响应在一定时间之后

27、衰减为 0，那么这个滤波器被称为有限冲激响应(FIR)滤波器。前者的输出只取决于当前和以前的输入值，它有较平坦的幅频特性，但相位响应是非线性的，而后者的输出不仅取决于当前和以前的输入值，还取决于以前的输出值，但是可以实现相位不失真。它们的系统传递函数分别为：NkkkMkkkzazbzH101)(（2-1）10)()(NnnznhzH（2-2） 数字滤波器7对应的差分方程分别为：MkNkkkknyaknxbny01)()()(（2-3）10)()()(Nmmnxmhny（2-4） 公式 2-1 中的 H(z)称为 N 阶 IIR 滤波器的系统函数，公式 2-2 中的 H(z)称为(N 一 1)阶

28、 FIR 滤波器的系统函数。 由于前者的设计方法源于传统的模拟滤波器，且使用滤波器时人们主要关心它的稳定性和因果性以及幅频特性，并要求简单，所以 IIR 滤波器使用较多。IIR 数字滤波器与 FIR 数字滤波器相比，它可以用较低的阶数获得高选择性，所用存储单元少，经济而效率高，在相同门级规模和相同时钟速度下可以提供更好的带外衰减特性，本文设计的数字滤波器即为 IIR 型滤波器。2.2 数字滤波器的基本原理2.2.1FFT 算法和数字滤波理论基础 1.快速傅立叶变换 离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform 简称 DFF)及其快速算法-快速傅里叶变换是数字信号处理领域

29、的核心组成部分。它们通过变换将时域和频率域联系在一起，使在时域隐藏的现象和特征在频率域内显示出来。对于 N 点的序列 x(n)。离散傅立叶变换满足以下关系：10)()(NkknNWnxkX，k=0,1,2,.N-1（2-4）10)(1)(NkkNNWkXNnx，n=0,1,2,.N-1（2-5） 式 2-4 和 2-5 中，NjNeW/2 在通常情况下，)(nx序列和它的离散傅立叶变换)(kX都是复数，因此直接计算 DFT 及离散傅立叶逆变换需要2N次复数乘法和)1(NN次复数加法。做一次离散傅立叶变换总共需要做24N次实数乘法和)1(2NN次实数加法。随着序列长度的增大，运算量将剧烈的增加。

30、在 DFT 的公式 2-4 中包含了大量的重复运算：由于NW的周期性，式 2-4 中只有 N 个独立的值，即3210,NNNNWWWW等。因为NW计算因子具有如下的周期性和对称性：1,120NWW（2-6）rNrrrNWWWW2,（2-7） 因此，这 N 个独立的值本身具有一些对称性。FFT 实现的关键是巧妙的利用nkNW的周期性和对称性，通过一些快速的蝶形算法，简化了 DFT 公式中的系西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）8数矩阵。与 DFT 的运算量相比。FFT 的运算量下降为NN2log2次，它巧妙的解决了离散傅立叶变换运算量巨大的问题，从而成为信号处理中最方便的运算。 2.数字滤

31、波器的基本原理数字滤波器的原理如图 2-1 所示，模拟信号量化后，经一个数字系统进行数字运算实现滤波功能。 )(tx )(nx )(ny )(ty 2-1 数字滤波器原理框图 图中 x(t)、y(t)是输入和输出的模拟信号，x(n)、y(n)是数字滤波器输入和输出的数字量化信号。H(z)是系统的响应函数，根据系统的实际需要可以是无限冲激响应(IIR)或有限冲激响应(FIR)，响应函数的设计有许多种有效的方法。图2-1 数字滤波器响应函数 H(z)的设计，就是找到一组系统冲激响应的采样值，使滤波器的性能满足预先设计的技术指标，这就是数字滤波器的滤波原理。2.2.2IIR 数字滤波器算法 IIR

32、滤波器可以用常系数微分方程表示为：（2-8） 式 2-8 中 x(n)和有 y(n)分别表示输入和输出信号序列，ka和kb是滤波器系数。IIR 数字滤波器的系统函数为1z的有理分式：（2-9） 对照模拟滤波器的传递函数：（2-10） 不难看出，数字滤波器与模拟滤波器的设计思路相仿，其设计实质也是寻找一组系数b，a，去逼近所要求的频率响应，使其在性能上满足预定的技术要求。因此数字滤波器设计的关键是将 H(s)转换为对应的 H(z)，即把 s 平面映射到 z 平面，S-Z 映射的方法有：冲激响应不变法、 阶跃响应不变法、双线性变换法等。 “间接法” 是 IIR 滤波器设计过程中的常用方法，它是通过

33、模拟滤波器来间接地确定数字滤波器的系数。因为模拟滤波器已经有一套相当成熟的设计方法，有一些典型的滤波器类型如巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫 （chebyshev）滤波器、椭圆(Ellipse)、滤波器和贝塞尔( Bessel )滤波器等，它们都有自己的归一化原型滤波器和现成的设计公式，还有完善的设计图表可查。 A/D H(z) D/A数字滤波器9本文设计的数字滤波器就是用 LabVIEW 中的巴特沃斯滤波器间接地设计 IIR 型数字滤波器。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）103 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计113 基于 LabVIEW 的

34、巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计3.1 虚拟数字滤波器的总体设计思路 数字滤波器采用 LabVIEW 作为软件的开发平台，充分发挥 LabVIEW 作为编程语言的简便性的功能。该程序采用模块化的设计思想 ，从含有干扰或噪声的 信号中提取正弦信号。输入信号为一正弦波，并加入一个正旋干扰信号及一均匀白噪声作为干扰信号，在程序中设计了一个低通巴特沃斯滤波器。以滤除信号中的噪声分量提取正弦信号。 虚拟仪器系统的核心是软件部分，它一般由信号发生模块、数字滤波模块、频率响应模块构建，如图 3-1 所示 图 3-1 虚拟滤波器总体框图3.2 虚拟数字滤波器的功能 数字滤波器主要功能有三个方面： 1、用来对获得

35、的信号作处理运算，并加工构建某种预定的频率特性； 2、是作抗干扰滤波器，适用于当干扰噪声频谱与信号频谱主瓣不重叠时，根据具体情况采用低通、高通、带通或带阻滤波器； 3、是用于各种校正环节的反滤波器，当信号带宽大于测量系统带宽时用来扩展系统的频带，改善全系统的动态特性。本文的虚拟数字滤波器完成的是第二项功能，在 LabVIEW 平台上设计的巴特沃斯演示仪可分别实现高通、低通、带通、带阻的功能的滤波器，其阶数可以任意调节（需大于 0 的整数） 。3.3 虚拟数字滤波器的软件实现3.3.1 虚拟仪器的开发平台 LABVIEW 简介 LABVIEW(Laboratory Virtual Instrum

36、ent Engineering Workbeneh，实验室虚拟仪器工程平台)是美国 NI 公司推出的一种基于 G 语(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW 是一种图形化的编程语言和 信 号 生 成 巴 特 沃 斯 虑 波 器 结 果 或 波 形 显 示西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）12开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认是标准的数据采集和仪器控制软件。 1.LabVIEW 程序组成 该环境包含包括三个部分:程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板

37、。在程序前面板上，输入量被称为控制(Controls)，为虚拟仪器的框图程序提供数据;输出量被称为显示(Inidicators)，显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上。如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。 一个程序前面板都对应着一段框图程序，框图程序用 LabVIEW 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节点(Node)、数据连线(Wire)构成。节点式 Vl 程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节点之间、

38、节点与前面板对象之间是同数据端口和数据连线来传递数据的。数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。 LabVIEW 中有两种类型的数据端口:控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当 Vl 程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。 2.LabVIEW 的操作面板LabVIEW 是具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置

39、。操作模板共有三类，为工具模板(Tools)、控制模板(Contro1s)和功能模板(Functions)三类。工具模板 (Tools Palette)为编程者提供了各种创建、修改和调试 Vl 程序的工具，在“查看”菜单下选择“工具选板”命令以显示该模板。当从模板内选择任意一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。控制模板(Controls)可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。可以用“查看”菜单下的“控制选板”打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。功能模板(Functions)是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。可

40、以用“查看”菜单下的“函数选板”打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。工具模板、功能模板和控制模板分别如图 3-2 所示。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计13 a. 工具模板 b.功能模板 c.控制模板图 3-2 工具模板、功能模板和控制模板 3.创建一个 VI LabVIEW 程序称为虚拟仪器程序，简称 VI。一个完整的 VI 包括 3 个部分：前面板、框图程序和图标/连接器。因此一个 VI 程序的设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计以及程序的调试。 创建前面板 因为用户使用时所观察到的就是前面板，而且在前面板中执行对仪器的操作，所以应

41、根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来设计前面板。前面板中主要由输入控制器和输出指示器组成。利用工具模板来添加输入控制器和输出指示器(添加后会在框图程序中出现对应的控制器或指示器框图)。控制器使用户可以输入数据到程序，而指示器则用来显示程序产生的数值。控制器和显示器部件有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。 框图程序的设计 框图程序相当于源代码，只有在创建了框图程序以后该程序才能真正运行。所以在设计好前面板以后，就要根据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设计框图程序。对框图程序的设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。节点是 VI 程序运行的要素，可以把他理解为程序的

42、语句、西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）14函数或子程序，他包括 4 种类型：函数、VI 子程序、结构和代码接口。 连线是程序设计中较为复杂的问题。流程图上的每一个对象都带有自己的连线端子，连线将构成对象之间的数据通道。因为这不是几何意义上的连线，因此并非任意两个端子间都可迮线，连线类似于普通程序中的变量。数据单向流动，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线工具(从工具模板栏调用)，然后移动到另一个端点，再点击第二个端点。端点的先后次序不影响数据流动的方向。 当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁，表示连线将会

43、接通该端点。当把连线工具从一个端口接到另一个端口时，不需要按住鼠标键。当需要连线转弯时，点击一次鼠标键，即可以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。 接线头是为了帮助正确连接端口的连线。当把连线工具放到端口上，接线头就会弹出。接线头还有一个黄色小标识框，显示该端口的名字。线型为波折号的连线表示坏线。出现坏线的原因有很多，例如：连接了两个控制对象；源端子和终点端子的数据类型不匹配(例如一个是数字型，而另一个是布尔型)。可以通过使用定位工具点击坏线再按下来删除它。当 Vl 无法运行，或者显示信号丢失终端)的错误信息时，这是一个快捷的调试方法。 4.程序的调试 当前面板和程序框图设计好

44、以后，程序的执行过程中可能会遇到很多方面的错误，因此要对程序进行调试。首先查找错误，如果一个程序不能执行，运行按钮会出现一个折断的箭头。点击断箭的运行按钮则会列出错误清单，双击列表中的错误清单，则出错的对象或端口就会高亮显示。程序的调试方法主要有： （1）找出语法错误如果一个 VI 程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW 弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用 Find 功能，则出错的对象或端门就会变成高亮。 （2）设置执行程序高亮在 LabVIEW 的工具条上有一个画着灯泡的按钮，

45、这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，VI 程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，你就可以根据数据的流动状念跟踪程序的执行。3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计15 （3）断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当 VI 程序运行到断点被设置处，程

46、序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。 （4）探针可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。3.3.2 巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计 1.系统前面板设计 该设计仪可以通过设

47、置滤波器参数实现不同频段、 不同抑制能力滤波特性的巴特沃斯低通、高通、带通、带阻数字滤波器。 该设计仪还提供了被测信号源以及三种检验方式，用来检验滤波器的滤波效果。 (1) 被测信号设置：(如图 3-3 所示)被测信号设置栏共有三类九个数据输入控制类控件。 有用信号产生类：用来设置正弦信号的幅值、频率、相位，作为有用信号。 干扰信号类：有白噪声与正弦信号两种干扰信号可供分别单独选择或同时选择，作为叠加在有用信号的干扰信号， 当选择正弦信号作为干扰时， 还需设置其幅值、 频率与相位。 公共类：采样点数与采样频率。注意：采样频率必须大于信号频率的两倍以上！ (2) 滤波器参数设置： （如图 3-4

48、 所示）共有四个输入控制类控件。 滤波器类型：低通、高通、带通、带阻可选 。 滤波器阶次：必须大于 0 。 低截止频率：必须大于采样频率。当滤波器类型选择“带通”和“带阻”时，必须小于高截止频率 。 高截止频率：当滤波器类型选择“带通”和“带阻”时，必须大于低截止频西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）16率。当滤波器类型选择“低通”和“高通”时，无效！ (3) 滤波效果的演示 滤波效果可以从定性和定量两个方面来检验：分别是“滤波效果演示图” 、 “滤波前和滤波后信号幅频特性图” 、 “滤波器幅频特性图” ，此为定性。再就是滤波前后的信噪比，此为定量。为了演示滤波效果，先设置被测信号和滤波

49、器参数。 被测信号设置： 采样点数 2000、采样频率 1000Hz、有用信号幅值 2V、有用信号频率50Hz、有用信号相位 0、正弦干扰信号幅值 2V、正弦干扰信号频率 53Hz、有用信号相位 0、白噪声幅值 0V。 滤波器参数设置： 滤波器类型 带通、阶次 4、低截止频率 49Hz、高截止频率 51Hz。 “滤波效果演示图”演示滤波的时域效果 如图 3-5(a)所示，可以观测到有用信号，被测信号，以及滤波后所得信号的时域效果图。由于横坐标的原因，无法看清滤波效果，因此需要调整横坐标，(横坐标调整方法)，横坐标调整后的效果如图 3-5(b)所示，可以清楚的看出滤波效果：滤波后的波形已经与有用

50、信号十分接近，干扰信号已经被滤去。 3-3 被测信号设置 图 3-4 滤波器参数设置图3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计17 （a) (b)图 3-5 滤波效果的时域演示图 “滤波前和滤波后信号幅频特性图 ”基于频谱分析的滤波器滤波效果检验 分别对滤波前和滤波后的信号作 FFT（快速傅立叶变换）可以得到它们的幅频特性图，如图 3-5“滤波前和滤波后信号幅频特性图 ”所示。共有两个输入控制类控件和两个输出显示类控件。 输入控制类控件： “频谱显示模式 ”选择纵坐标。 Logarithmic 对应 20log|H()|(dB)、Linear 对应幅值(V)； “频率”输入频

51、率数值 输出显示类控件： “幅值”对应所输入的 “频率”，显示当前幅值 单位西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）18由“频谱显示模式 ”决定。 “图形显示窗口 ”显示幅频特性图，横坐标：频率 (Hz)、纵坐标：单位由 “频谱显示模式 ”决定。 注意：由于横坐标的原因，无法看清滤波效果，因此需要调整横坐标，(横坐标调整方法见附录 )。调整横坐标后滤波器的幅频特性如图3-6 所示: 图 3-6 滤波前和滤波后波形的幅频特性图 输入频率即可得到当前的幅值数值，数值单位由 “频谱显示模式 ”确定。“图形显示窗口 ”中显示的黄色的线是 cursor 工具，用来显示曲线上任何点的横纵坐标数值。 (c

52、ursor 的具体使用方法见附录 ) 由滤波前后信号幅频特性图上可以看出53Hz 的干扰信号已经被滤去。 “滤波器幅频特性图 ”显示滤波器自身的幅频特性： 通过求巴特沃斯滤波器的单位冲击响应可以求出滤波器自身的频谱特性，如图 3-7“滤波器幅频特性图 ”所示。共有两个输入控制类控件和两个输出显示类控件。 输入控制类控件： “频谱显示模式 ”选择纵坐标。 Logarithmic 对应 20log|H()|(dB)、Linear 对应幅值(V)； “频率”输入频率数值 输出显示类控件： “幅值”对应所输入的 “频率”，显示当前幅值 单位由“频谱显示模式 ”决定。 “图形显示窗口 ”显示幅频特性图，

53、横坐标：频率 (Hz)、纵坐标：单位由 “频谱显示模式 ”决定。由于横坐标的原因，无法看清滤波效果，因此需要调整横坐标， (横坐标调整方法见附录 )。调整横坐标后滤波器的幅频特性如图 3-7 所示：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计19 图 3-7 滤波器的幅频特性图 输入频率即可得到当前的幅值数值，数值单位由 “频谱显示模式 ”确定。 “图形显示窗口 ”中显示的黄色的线是 cursor 工具，用来显示曲线上任何点的横纵坐标数值。 (cursor 的具体使用方法见附录 ) 滤波前后的信噪比和失真度 滤波的效果可通过滤波前后的信噪比与失真度的对比进行定量判断。滤波前后的信

54、噪比与失真度可通过图3-8 的四个数字显示窗可进行显示。 图 3-8 滤波前后的信噪比和失真度的显示窗 2.程序框图的设计 本论文设计的滤波器是巴特沃斯(Butterworth)数字滤波演示仪，巴特沃斯滤波器是无限冲激响应(IIR)滤波器设计的通用方法。巴特沃斯滤波器的高通(HighPass)、低通(LowPass)、带通(BandPass)及带阻(BandStop)四种滤波方式的实现方式是直接利用 LabVIEW 软件功能模板中的滤波器模块来实现，只需要选择不同的滤波器类型就可以实现相应的滤波功能，实现方法比较简单。 巴特沃斯滤波器的调用路径是函数信号处理滤波器巴特沃斯滤波器.vi，它的图标

55、及输入输出端口参数如图 3-9 所示： 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）20图 3-9Butterworth Filtervi 输入输出端口参数 Butterworth Filtervi 的输入输出端口参数含义如下： 滤波类型，如“低通滤波器、 “高通滤波器”、 “带通滤波器”、 “带阻滤波器等。 X：需要滤波的信号序列。 采样频率 fs：产生 X 序列时的采样频率；它的高低直接影响到采集到的信号的复原性。什么是采样频率呢?假设对信号以 t 为时间间隔进行采样，并且不丢失任何信息，参数 t 是采样间隔。可以根据采样间隔计算出采样频率：fs=l/t。采样理论指出，只要采样频率是信号最高

56、频率的两倍以上就可以根据离散的、等分的样本还原一个时域连续的信号。这样我们就可以根据信号的频率来确定采样频率，以保证信号的不失真。 高截止频率 fh；当滤波器类型为“低通”或“高通”时忽略该参数。 低截止频率 fl；它必须满足 Nyquist 准则，即 0fifs如果该条件不满足则输出序列 滤波后 X 为空，并返回一个错误。Fi 的缺省值是 0125。 Oder：滤波阶次；大于 0 的整数，缺省值是 2。 初始化/连续(初始化：F)；内部状态的初始化控制。当其为 FALSE，初态为 0，当初始化/连续初始化为 TRUE，滤波器初态为上一次调用该 VI 的最后状态。为了对一个大数据量的序列进行滤

57、波，可以将其分割成较小的块，设置这个状态为 FALSE 处理第一块数据，然后改设冒为 TRUE，继续对其余的数据块滤波。 滤波后 X：滤波后的信号； 错误：错误信息； 3.滤波器的程序设计 由该滤波器的整体设计思路可知，该滤波器由信号发生模块、数字滤波模块、频率响应函数模块 3 个模块构建而成。 信号发生模块：设置正弦信号的幅值、频率、相位，作为有用信号；有白噪声与正弦信号两种干扰信号可供分别单独选择或同时选择，作为叠加在有用信号的干扰信号。其程序框图如图 3-10 所示：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯数字滤波器演示仪的设计21图 3-10 信号发生模块的程序框图 数字滤波模块：用 La

58、bVIEW 中的巴特沃斯滤波器间接地设计 IIR 型数字滤波器。其程序框图如图 3-11 所示： 图 3-11 数字滤波模块的程序框图 频率响应模块：滤波前和滤波后信号幅频特性图，其程序框图如图 3-12所示：滤波器幅频特性图,其程序框图的设计如图 3-13 所示： 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）22 图 3-12 滤波前和滤波后信号幅频特性程序框图 3-13 滤波器幅频特性程序框图 巴特沃斯数字滤波器演示仪的整体程序框图如图 3-14 所示： 图 3-14 巴特沃斯数字滤波器演示仪的整体框图4 虚拟数字滤波器的调试及结果分析234 虚拟数字滤波器的调试及结果分析4.1 虚拟数字滤

59、波器的仪表功能 本文所设计的虚拟数字滤波器演示仪的前面板如图 4-1 所示：图 4-1 虚拟数字滤波器演示仪的前面板 其仪表功能如下： （1） 实现频率和幅度可调的有用信号和干扰信号以及幅值可调的噪声信号； （2） 实时显示滤波器输出端信号波形； （3） 滤波前和滤波后信号的幅频特性曲线及滤波器的幅频特性曲线的自动显示； （4） 滤波前后信噪比、失真度的自动显示。什么是信噪比，什么是失真度？信噪比就是有用与噪声信号功率的的比值，通常用 SNR、S/N 表示，单位：分贝 dB。计算公式 dB = 20lg(S/N) ，只要噪声能量超过信号能量,SNR 就是负的，可见信噪比越大越好；失真度表征一个

60、信号偏离纯正弦信号的程度。失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值，失真度越小滤波效果越好。本文设计的滤波器的信噪比的要求是滤波前滤波后的信噪比的绝对值大于 0.8dB，失真度要小于 1.5。4.2 程序的调试 1实验目的： (1) 通过对巴特沃斯数字滤波器演示仪的使用练习，学习在演示仪上通过“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器；西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）24 (2) 通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能并检查实验结果是否达到了预先的设计要求。

61、2、实验内容： 了解低通、高通、带通、带阻四种滤波器的滤波参数设置方法，观察不同参数下四种滤波器的滤波效果，学会通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”选取最优的滤波参数并检查实验结果是否达到了预先的设计要求。 （1）带通滤波器 带通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。 图 4-2 带通滤波器幅频特性 设置滤波器的参数：滤波器类型为带通、滤波器阶次 4、低截止频率49Hz、高截止频率 51Hz；演示仪中，此带通滤波器的幅频特性如图 4-3 所示： a.带通滤波器幅频特性图（高截止频率的显示）4 虚拟数字滤波器的调试及结果分析25 b.带通滤波器

62、幅频特性图（低截止频率的显示）图 4-3 带通滤波器幅频特性图 由上图可知，带通滤波器的低截止频率为 48.98Hz、高截止频率为51.02Hz，与设置的低截止频率 49Hz、高截止频率 51Hz 基本相符，可见该滤波器的带通功能有效。 2）不改变带通滤波器的参数设置，观察滤波效果：添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0 度，其他参数按照表 4-1 所示参数进行设置。 表 4-1 干扰信号参数设置 次数正旋干扰信号幅（V）正旋干扰信号频率（Hz）正旋干扰

63、信号相位（度） 白噪声幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 53 0 0325302 添加干扰信号，观察滤波效果并记录如下(为了便于分析，将各干扰信号下的滤波效果演示图的结果显示如下，而其图形置于附录中）： 次数 1只添加白噪声 由附录中图 6-7 的滤波效果演示图可知该数字滤波器的滤波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比从 1.75095dB 增加到 6.12558dB，信噪比有了很大的提高，信号失真度也降到 0.796956 小于 1.5，均达到了预期的要求。 次数 2只添加正弦干扰信号 由附录中图 6-8 中的滤波效果演示图可知该数字滤波器的滤波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比从 0.00

64、41384dB 增加到 6.44451dB，信噪比有了非常大西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）26的提高，信号失真度也降到 0.782005 小于 1.5，均达到了预期的要求。 次数 3同时添加白噪声信号和正弦干扰信号 由附录中图 6-9 中的滤波效果演示图可知该数字滤波器的滤波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比从-2.34466dB 增加到 6.49793dB，信噪比有了非常大的提高，信号失真度也降到 0.803386 小于 1.5，均达到了预期的要求。 3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“高截止频率(Hz)”=52Hz，设置被测信号：“有用信号幅值”2V、“有用

65、信号频率”50Hz、“有用信号相位”0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”0、“白噪声幅值”0。 修改滤波器参数后，滤波器幅频特性图如图 4-4 所示： 图 4-4 修改参数后带通滤波器幅频特性 可以看出高截止频率为 52.04Hz 符合设定高截止频率 52Hz 的要求（低截止频率未修改）。 记录滤波前和滤波后波形特性如下：4 虚拟数字滤波器的调试及结果分析27图 4-5 修改参数后带通滤波器（添加正旋干扰）滤波效果演示 比较修改前和修改后带通滤波器幅频特性图，修改后通带变宽，修改前为48.98Hz51.02Hz，修改后为 48.98Hz52.04

66、Hz。 比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”=0、“白噪声幅值”0 时，通过比较“滤波效果西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）28演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，可以看出修改前的滤波效果较好，修改前通带窄，高频干扰信号衰减幅度大，消噪后的信噪比较高。 （2）低通滤波器： 1）低通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。 图 4-6 低通滤波器幅频特性图 低通滤波器的幅频特性如图 4-6 所示，f1 为低截止频率，设置滤波器的参数：滤波器类型低通、滤波器阶次 17、低截止频率 70Hz、高截止频率无效。调整横坐标后，滤波器幅频特性如图 4-7 所示： 图 4-7 低通滤波器幅频特性图 由上图可知，低通滤波器的低截止频率为 70.07Hz，与设置的低截止频率70Hz 基本相符，可见该滤波器的低通功能的有效性。 2）不改变低通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信