DOC《课程设计报告》

课程设计报告 基于LABVIEW滤波器的设计 学院医药信息工程学院 专业生物医学工程 年级生物医学工程05 学生姓名 梁纪雁 学号0507512125 指导教师 李洪波

2008 年7月10日 目录 一 课程设计目的

2 二 课程设计要求

3 1 课程设计题目:基于LABVIEW滤波器的设计

3 2 课程设计要求

3 (1)前面板要求

3 (2)后面板要求

3 三 课程设计要求

3 1 设计方向

3 2 数字滤波器功介绍

4 3 虚拟器软件的介绍

4 四 数字滤波器在LABVIEW上的实现

5 1 LabVIEW的数字滤波器工具

5 2 LABVIEW中滤波器参数的设计

5 五 数字滤波器的设计,调试及功能演示

7 1 滤波流程图及设计

7 2 FIR和IIR各自的优缺点

7 3 前面板的设计

9 4 程序框图的设计

10 5 滤波器各种参数的调试

11 (

1 ) FIR加窗滤波器

12 (

2 ) 巴特沃斯滤波器

12 6 结果分析

13 (

1 ) 信号波形分析

13 (

2 ) 功率谱分析

14 六 结束语

14 七 参考文献

15 一 课程设计目的 1在掌握LabView软件的基础上,通过查阅资料,能够独立进行虚拟仪器的设计.

2 通过本次设计,加深对FIR数字滤波器的认识,并对滤波器的滤波特性有一个更加全面的了解. 二 课程设计要求

1 课程设计题目:基于LABVIEW滤波器的设计

2 课程设计要求 (1)前面板要求 a 仪器操作均在前面板进行. b 仪器操作方便,人性化设计. c 前面板美观大方. (2)后面板要求 a 设计思路简洁. b 功能完善,达到设计要求. c 布线合理,便于查看. 三 课程设计要求

1 设计方向 虚拟仪器代表着目前测试仪器领域的发展方向,LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台.数字滤波技术是数字信号处理的一个重要组成部分,滤波器的设计是信号处理的核心问题之一.在LabVIEW环境下可以随时对比设计要求调整参数,有利于数字滤波器设计的最优化,有效地克服了传统设计方式中存在的滤波器系数不易调整、与硬件接口程序复杂、开发周期长等问题.LabVIEW为设计数字滤波器提供了一个可靠而有效的途径[1].本文阐明了运用LabVIEW图形化编程语言开发虚拟数字滤波器的方法,对数字滤波器原理的分析.提出了利用虚拟仪器软件平台构建数字滤波器的设计思想,并在此基础上开发出了一套数字滤波器实例系统.

2 数字滤波器功介绍 滤波器从广义上来说是指一种信号处理系统,这种系统保留输入信号中的有用信息,滤除不需要的信息,从而达到信号的检测、提取、识别等不同的目的.数字滤波是数字信号处理基本内容之一,其本质就是对离散的数字量进行适当的运算处理,从频率域实现信号分离功能[3]. 由于模拟滤波器设计需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有较深入的了解,通常需要专家来完成而.数字滤波器是在现代数字采样和信号处理技术基础上发展起来的,已经可以取代模拟滤波器.数字滤波器可以用软件编程,稳定性高,不会因温度、湿度的影响产生误差,不需要精度组件,性价比高[3]. 另外模拟滤波器的响应时间和截止频率的设定有关,截止频率低,响应慢,截止频率高,响应快,另外、模拟低通涟波器的频率特性还和元件参数的精确度、环境温度.元件的老化等因素有关.而数字滤波器不受外界环境的影响,可靠性商,只要选择合适的算法就可以达到滤波的目的[5].所以在实际的应用中,常利用能够满足精度要求的模拟低通滤波器原型,通过适当的数学变换,就可以得到等效的数字论波器.

3 虚拟器软件的介绍 所谓虚拟仪器就是借助于计算机的软硬件平台,配以特殊设计的硬件和专用软件,形成既具有普通仪器的基本功能,又有自己特殊功能的新型仪器.用户可以通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的输入控件、设置各种工作参数、启动或停止设备,测量的结果可以直观地在面板上显示,测量数据可以方便地存储与进一步处理.虚拟仪器的应用提出了 软件即仪器 的概念, 软件+采集卡=仪器 就是虚拟仪器的模型.它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能,满足多种多样的应用需求.它可以部分实现甚至全部实现物理仪器功能.与传统仪器相比具有许多优点:对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快,测试结果的表达方式更加丰富多样,可以方便地存储和交换测试数据,价格低,技术更新快. LabVIEW是目前应用最广、发展最快、功能最强的虚拟仪器开发环境,LabVIEW开发的程序由两部分组成:前面板和程序框图.LabVIEW编写的程序称为VI(虚拟仪器),LabVIEW中提供了许多子VI供编程者直接调用,特别是信号处理部分,有许多功能强大的子VI,如常用的窗函数、快速傅里叶变换、功率谱、频率谱、小波变换等.利用LabVIEW模块化和层次递归的编程方法,可以在很短的时间里设计、构建和修改自己的虚拟仪器系统[2]. 四 数字滤波器在LABVIEW上的实现

1 LabVIEW的数字滤波器工具 LabVIEW开发环境提供了大量的数字滤波VI和数字滤波器开发工具.在其Signal Processing模板中包含了SignalGeneration(信号产生)和Filters(滤波器)等子模板,其中SignalGeneration子模板中存放了可以生成正弦波形、脉冲滤形、随机噪声波形等各种仿真信号的功能模块,用它们作为输入信号时可与由数据采集卡(DAQ)对实际信号取样获得的离散时间序列等效.Filters子模板则提供了十几种滤波器的 图标 其中用于设计IIR滤波器的有ButterworthFilter. vi、ChebyshevFilter. vi、BasselFil-ter. vi等,用于设计FIR滤波器的有FIRW indow Filter. vi、Equi-Ripple LowPass. vi、Equi-RippleHighPass. vi、Equi-RippleLowPass. vi、Equi-Ripple BandPass. vi等.通过设置图标的采样频率、滤波器阶数、低端截止频率、高端截止频率及滤波类型等参数可以产生相应的数字滤波器.用冲激函数Impulse Pattern. vi作为激励信号,通过在面板上切换滤波器的类型和阶数,可以观测到各种类型的低通、高通、带通和带阻滤波器的幅频特性和相频特性.

2 LABVIEW中滤波器参数的设计 在LabVIEW中设计虚拟数字滤波器,关键问题是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数.比如,要设计一个虚拟数字式巴特沃斯滤波器,其设计过程是在Functions选项板下依次选择Analyze Signal Processing Filters子选项板,最后在Filters子选项板中选择Butterworth Filter.vi图标,见图4-1.选中后在流程图中便出现巴特沃斯滤波器(Butterworth Filter.vi)图标,如图4-2.然后,设置But-terworth Filter.vi的相关参数,图标的左侧为输入端口参数右侧为输出端口参数. 图4-1 图4-2 五 数字滤波器的设计,调试及功能演示

1 滤波流程图及设计 图5-1

2 FIR和IIR各自的优缺点 根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性,可将数字滤波器分为两种,即无限长冲激响应llR滤波器和有限长冲激响应FIR滤波器.无限长单位冲激响应(IIR)数字滤波器的优点是可以利用模拟滤波器设计的结果,而模拟滤波器的设计有大量

图表可查,方便简单.它的缺点是相位的非线性;

若需要线性相位,则要采用全通网络进行相位校正.图像处理以及数据采集传输都要求滤波器具有线性相位特性.而有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器可以实现线性相位,又可具有任意幅度特性.两者都各有特点FIR滤波器系统总是稳定的、易于实现线性相位、允许设计多通带或多阻带滤波器,IIR滤波器则可以用较低的阶数获得较高的选择性,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. (1)FIR滤波器的冲激响应是有限长序列,其系统函数为一个多项式,它所含的极点多为原点,所以FIR滤波器永远是稳定的.有限长单位冲击响应(FIR)数字滤波器可以具有严格的线性相位特性,同时又可以具有任意的幅度特性;

此外,FIR滤波器的单位抽样响应是有限长的,因而具有稳定性;

最后,FIR滤波器由于单位冲击响应是有限长的,可以用快速傅里叶变换FFT实现信号的过滤.FIR滤波器的横截型结构如图5-2所示. 图5-2 (2)IIR滤波器是单........