数字滤波器课程设计

目录

1 引言 ........................................................................................................................................................... 2 2 虚拟仪器开发软件Labview入门 ............................................................................................................ 3

2.1 Labview介绍................................................................................................................................. 3 2.2 利用Labview编程完成习题设计 ................................................................................................ 4 3利用Labview实现数字滤波器设计--信号噪声滤波的设计 .................................................................. 23

3.1数字滤波器设计--信号噪声滤波的基本原理 ............................................................................. 23 3.2数字滤波器设计--信号噪声滤波的编程设计及实现 ................................................................. 23 3.3运行结果及分析.............................................................................................................................. 24 4总结 ............................................................................................................................................................ 26 5参考文献 .................................................................................................................................................... 27

1 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No2 1 引言

由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。数字滤波器一词出现在60年代中期。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。

数字滤波器是一个离散时间系统。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍。数字滤波器的频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率（即二分之一抽样频率点）呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。

数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语声信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域（如通信、雷达、声纳、仪器仪表和地震勘探等）都得到了广泛的应用。

数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。如果数字滤波器的内部参数不随时间而变化，则称为时不变的，否则为时变的。如果数字滤波器在某一给定时刻的响应与在此时刻以后的激励无关，则称为因果的，否则为非因果的。如果数字滤波器对单一或多个激励信号的响应满足线性条件，则称为线性的，否则为非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。

数字滤波器可以按所处理信号的维数分为一维、二维或多维数字滤波器。一维数字滤波器处理的信号为单变量函数序列，例如时间函数的抽样值。二维或多维数字滤波器处理的信号为两个或多个变量函数序列。例如，二维图像离散信号是平面坐标上的抽样值。

一维数字滤波器，处理一维数字信号序列的算法或装置。线性、时不变一维数字滤波器的输出信号序列y(n)和输入信号序列x(n)的关系由线性、常系数差分方程描述

二维数字滤波器对单位冲激响应亦分有限冲激响应和无限冲激响应两类。二维有限冲激响应数字滤波器为非递归型算法结构，因此又称二维非递归型数字滤波器。二维无限冲激响应数字滤波器为递归型算法结构，因此也称二维递归型数字滤波器。

有限字长效应和稳定性，这是研究和设计数字滤波器的重要问题。信号序列和数字滤波器系数均以有限长码位来表示，称为有限字长。系数的有限字长影响频率响应特性，信号序列和运算过程的有限字长影响数字滤波器输出噪声。非递归型数字滤波器可以保证绝对稳定，而递归型数字滤波器则由于有限字长影响可能导致不稳定或产生极限环振荡。

一维数字滤波器的设计理论已相当成熟，但低灵敏度、低噪声的算法结构仍在研究中。二维和多维数字滤波器的设计，特别是无限冲激响应二维和多维数字滤波器的稳定性等问题，有待进一步研究解决。

2 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No3 2 虚拟仪器开发软件Labview入门 2.1 Labview介绍 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 [1]LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEw则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的。连接。目前使用较多的是IEEE488 或 GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中(大家可以搜索 CPUVIEW 会有更详细信息；） 3 沈阳理工大学 沈阳理工大学课程设计专用纸 No4

2.2 利用Labview编程完成习题设计

3.1新建一个VI，进行如下练习：

任意放置几个控件在前面板，改变它们的位置、名称、大小、颜色等等。 在VI前面板和后面板之间进行切换 并排排列前面板和后面板窗口

图2.1显示面板

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沈阳理工大学课程设计专用纸 No5

图2.2函数面板

3.2编写一个VI求三个数的平均值，如右图所示。

要求对三个输入控件等间隔并右对齐，对应的程序框图控件对象也要求如此对齐。 添加注释

分别用普通方式和高亮方式运行程序，体会数据流向。 单步执行一遍

图2.3显示面板

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沈阳理工大学课程设计专用纸 No6

图2.4函数面板

4.1写一个VI判断两个数的大小，如右图所示：当A>B时，指示灯亮

图2.5显示面板

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沈阳理工大学课程设计专用纸 No7

图2.6函数面板

4.2写一个VI获取当前系统时间，并将其转换为字符串和浮点数。这在实际编程中会经常遇到。

图2.7显示面板

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沈阳理工大学课程设计专用纸 No8

图2.8函数面板

4.3写一个温度监测器，如右图所示，当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警灯点亮。温度值可以由随即数发生器产生。

图2.9显示面板

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沈阳理工大学课程设计专用纸 No9

图2.10函数面板

4.4给定任意x, 求如下表达式的值

yx5cosxex

图2.11显示面板

9 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No10

图2.12函数面板

5.1利用顺序结构和timing面板下的tick count VI，计算for循环产生一个长度为20000点的随机波形所需的时间。

图2.13显示面板

10 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No11

图2.14函数面板

5.2 为第4章习题4添加一个While循环和定时器，实现连续的温度采集监测

图2.15显示面板

11 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No12

图2.16函数面板

5.3计算学生三门课（语文，数学，英语）的平均分，并根据平均分划分成绩等级。要求输出等级A,B,C,D,E。90分以上为A，80～89为B，70～79为C，60～69为D，60分以下为E。

图2.17显示面板

12 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No13

图2.18函数面板

6.1为第5章的习题2连续温度采集监测添加报警信息，如下图所示，当报警发生时输出报警信息，例如“温度超限！当前温度78.23℃”，正常情况下输出空字符串。

图2.19显示面板

13 沈阳理工大学

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图2.20函数面板

6.2将一些字符串和数值转换成一个新的输出字符串，输出的字符串是一个GPIB命令字符串，它可以用来与串口仪器进行通信6.3用FOR循环创建一个数组，并用图

形显示输出的数组

图2.21显示面板

14 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No15

图2.22函数面板

6.3用for循环创建一个数组，并用图形显示输出的数组。

图2.23显示面板

15 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No16

图2.24函数面板

6.4利用簇模拟汽车控制，如右图所示，控制面板可以对显示面板中的参量进行控制。油门控制转速，转速＝油门*100，档位控制时速,时速＝档位*40，油量随VI运行时间减少。

图2.25显示面板

16 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No17

图2.26函数面板

7.1 利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，利用实时趋势曲线实时显示采样结果。

17 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No18

图2.27显示面板

图2.28函数面板

7.2 在习题1的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V。

18 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No19

图2.29显示面板

图2.30函数面板

7.3利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，共采集50个点，采集完后一次性显示在Waveform Graph上。

19 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No20

图2.31显示面板

图2.32函数面板

7.4在习题3的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V，采样间隔是50ms，共采100个点。采样完成后，将两路采样信号显示在同一个Waveform Graph中。

20 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No21

图2.33显示面板

图2.34函数面板

21 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No22

22 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No23 3利用Labview实现数字滤波器设计--信号噪声滤波的设计

3.1数字滤波器设计--信号噪声滤波的基本原理

低通滤波器允许从直流到某个截止频率(fCUTOFF) 的信号通过。将通用滤波器二阶传递函数的高通和带通系数均设为零，即得到一个二阶低通滤波器传递公式：

低通滤波器的曲线低于f0的频率其响应相对平坦。对于高于f0的频率，信号按该频率平方的速率下降。在频率f0处，阻尼值使输出信号衰减。也可以级联多个这样的滤波器部分来得到一个更高阶的（更陡峭的转降）滤波器。假定设计要求一个截止频率为10kHz的四阶贝塞尔(Bessel) 低通滤波器，每部分的转降频率分别为16.13及18.19 kHz，阻尼值分别为1.775及0.821，并且这两个滤波器分区的高通、带通和低通系数分别为0、0与1。可以使用这两个带有上述参数的滤波器部分来实现所要求的滤波器。截止频率为输出信号衰减3 dB的频率点。

3.2数字滤波器设计--信号噪声滤波的编程设计及实现

图3.1

23 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No24

图3.2

3.3运行结果及分析

通过上面的设计，实现了预期的实验结果，实现了对信号的低通滤波，即实现了对高频信号的滤波作用。

图3.3显示面板

24 沈阳理工大学

沈阳理工大学课程设计专用纸 No25

图3.4函数面板

25 沈阳理工大学

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No26

4总结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数字滤波 噪声滤波方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 26 沈阳理工大学 沈阳理工大学课程设计专用纸

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5参考文献 [1] 郑君里、应启珩、 杨为理，信号与系统(下册第2版)高等教育出版社 (2000-05出版) [2] 熊庆旭、刘锋、 常青，信号与系统，高等教育出版社 (2011-01出版) [3] 谷源涛，信号与系统:习题解析(第3版) 高等教育出版社 (2011-07出版) 27 沈阳理工大学