1、基于虚拟仪器的带通滤波器的实现孙世政摘要：随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、数字化和网络化的方向发展。其中模拟滤波器作为测试技术的重要工具而被广泛使用于各个领域。本课题是以 LabVIEW 软件设计为工程背景，主要对采集的波形数据进行相关处理，实现相应的参数测量。本设计利用虚拟仪器的开发平台LabVIEW 开发的软件系统，主要包括三个模块：信号的产生，信号的处理和显示。信号的处理模块主要实现的通过切比雪夫滤波器和巴特沃斯滤波器，滤波器参数的不同设置能够得到不同的信号。关键字：LabVIEW Chebyshev Butterworth 带通滤波1、引言人类正在进入信息时代，
2、信号处理与滤波器设计是信息科学技术领域中一个不可或缺的重要内容。然而半个世纪以来，滤波器的设计的基本理论一直没有改变，现有的技术都只支持一种滤波器实现方法，像无源 LRC滤波器、有源RC滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器，从指标要求到实际设计的第一步，都是基于 O.J.Zoble，R.M.Foster 等许多前人的基础工作。由此而产生的设计理论导致了滤波器设计的初始设计的方程化，把给定的指标转化为 S域或 Z域的传递函数，或转化为 LC滤波器结构，进行到这一步时，设计者可以选择滤波器类型，如切比雪夫滤波器，巴特沃思滤波器，椭圆滤波器或其他类型。选择什么类型有以下因素决定：滤波器阶数决定、群延迟
3、、带内波纹、带边选择性，易于调试性及其它一些相关要求。虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术，与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需要可以高效率地构建起形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便的应用于测量中，并且为自动测量和网络化测量创造条件。它是一种测试仪器和系统的概念及相关软件，另外结合测试技术和仪器的专业知识介绍在 LabVIEW实现虚仪滤波器虑测试信号。2、系统的设计原理虚拟滤波器去除噪声在信号传输过程中，经常会混入噪声， 噪声的能量甚至会超过信号能量。因此接
4、收端收到信号后, 通常首先要进行滤波处理, 然后才能对信号做进一步处理。系统的原理图如下图 1所示。信号发生器（正弦波）噪声信号模拟实际信号模拟滤波器波形显示图 1 系统原理框图滤波器是对输入信号的频率具有选择的的一个二端口网络，它允许某些频率次（通常是某个频率范围）的信号通过，而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由 RLC元件或 RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。2.1实际滤波器的基本参数描述实际滤波器的性能，主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因素以及倍频程选择性等。图 2 理想带通与实际带通滤波器的幅频特性纹波幅度 d 在一定的频率
5、范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度 d与幅频特性的平均值 A0相比，越小越好，一般应远小于3dB，即 d1 为阻带。切比雪夫滤波器的幅频特性虽然在通带内有起伏，但进入阻带后衰减陡峭，更接近理想情况。在截止频率(w/wc)=1 处，其衰减不一定是下降 3dB，而是按 来计算， 值21/越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。与巴特沃斯逼近特性相比较，这种特性虽然在通带内有起伏，但对同样的n值在进入阻带以后衰减更陡峭，更接近理想情况。 值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化缓慢。切贝雪夫滤波器与巴特沃
6、斯滤波器进行比较，切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型要优于切贝雪夫型，通过上面二图比较可以看出，前者的相频响应更接近于直线。滤波器的软件实现是通过条件结构实现的，当用户选择相应的滤波器时，条件结构会根据用户的要求执行相应的程序。下图 6为信号滤波部分的程序图。图 6 信号滤波部分的程序图系统总程序图如下图 7所示。图 7 系统总程序图3.3显示部分LabVIEW程序由两部分组成: 前面板程序和框图程序。整个程序是基于多线程设计, 即前面板和框图程序各占用一个线程。LabVIEW 的前面板，即交互式界面，用于
7、设置输入数值和观察输出量，在前面板中，使用了各种图标如开关, 实时趋势图等来模拟真实仪器的面板, 并可如同操作实际仪器一样方便地调节输入参数和进行输出模式定制。本文中前面板的设计，充分发挥了LabVIEW 的特长，即建立了友好的人机操作界面，滤波器前面板如图 8所示。用户可以方便地调整采样率, 波纹幅度等滤波参数而不必要修改框图程序。由位于上方的输出波形图可以直观地观察滤波器滤波后的波形以及幅频与相频特性, 在整个滤波器的前面板设计中采用了装饰框, 使整个虚拟面板变得简洁、美观。图 8 系统的人机操作界面四、总结与体会 通过本次的带通滤波器的系统设计，进一步复习了模拟滤波器的相关知识。系统的复
8、习了整个基于 labview技术的知识，学会了运用 labview8.2软件进行简单的虚拟仪器设计和调试。当然在本次课程设计中遇见的很多困难，但是在老师的指导下，在同学的帮助下，让我有机会在困难中艰难前行寻找真理的感觉却是美好的。从无到有是每个人都要经历的过程，人正是在这种过程取得进步，这次的课程设计便是一个从无到有的过程，第一次做这个，虽然付出的多，但得到的也让我欣慰。总的来说，虽然设计过程中充满了艰辛与无奈，但是最后成功的结束还是让我受益匪浅。参考文献:1 杨乐平,李海涛,肖相生等编著.LabVIEW 程序设计与应用（第二版）.北京：电子工业出版社,20052 杨乐平,李海涛,赵勇等编著,LabVIEW 高级程序设计。北京：清华大学出版社，20033 陈锡辉,张银鸿编著,LabVIEW8.20 程序设计.北京：清华大学出版社,20074 邝永明.基于 LabVIEW多功能虚拟仪器的应用开发J. 广西大学学报, 2006, 31(4):340- 343. 5 徐晓彤, 王向周, 郭建勋 .基于 LabVIEW的低频虚拟信号源设计J.微计算机信息, 2005, 21(5):161- 162
