毕业设计（论文）题目基于LabVIEW的虚拟滤波器设计
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日期2013 年5 月24 日
摘要
电子技术和计算机技术的快速发展促进了硬件软件化，使基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器得到了快速的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得其在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势，其应用围也越来越广泛。LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境，为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。
本文首先用LabVIEW设计一个信号发生器，信号类型(如正弦波、方波、锯齿波等）、幅值、相位、频率等参数均可调，其次，给信号发生器产生的信号加噪（如高斯白噪声、均匀白噪声、随机噪声等），要求噪声的幅值和采样信息等值均可调，然后，用LabVIEW设计一个虚拟数字滤波器要求滤波器的频带类型（如低通、高通、带通、带阻）、最佳特性逼近方式（巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等）、阶数以及高截止频率和低截止频率等参数均可调，将加噪后的波形通过所设计的虚拟滤波器，将它用波形图显示出来，最后，将原始信号与滤波后的信号进行傅里叶变换，在频域显示幅值和相位。比较加噪后的波形与滤波后的波形，发现噪声很大程度地滤除。
关键词：虚拟仪器；滤波器；LabVIEW
Abstract
With the rapid development of electronic technology and computer technology, the hardware is oriented to software. The control
instruments --- the virtual instruments based on the personal computer are prompted rapidly. The virtual instruments have obvious advantages in the degree of intelligence, processing power and maneuverability because of the computer’s strong processing power. And their application is more wide. LabVIEW is a development environment based on the graphical programming. The convenient and relaxed design environment for virtual instrument designers is provided by using LabVIEW.
In this paper, a signal generator is designed by using the LabVIEW at first. The signal generator’s signal type(sine, square, sawtooth, etc.), amplitude, phase, frequency and other parameters can be adjusted. Secondly, a noise(Gaussian white noise, uniform white noiserandom noise, etc.) is added into the signal. The amplitude of the noise and the type of the noise and sampling the information equivalents can be adjusted. Then a digital filter is designed by using the LabVIEW. The frequency band(low pass, high pass, band pass, band stop, etc.), the best characteristics of approximation way(Butterworth, Chebyshev, Bessel, etc.), the number of order as well as the frequency of the high cut-off and low cut-off frequencyand other parameters can be adjusted. The wave into which the noise is added is tranferred to the virtual filter and then it ’s displayed in the waveform. Finally, the original signal and the filtered signal are had the Fourier transform and displayed in the frequency
domain concluding amplitude and phase. Comparing the original wave and the wave with the noise, we find that the noise is filtered at a large extent.
Keywords: Virtual instrument; Wave filter; Labview
目录
摘要.................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................II 第一章绪论 .. (1)
1.1 虚拟仪器的发展趋势 (1)
1.2 课题的目的及意义 (1)
1.3 课题容 (2)
第二章LabVIEW与虚拟仪器 (3)
2.1 虚拟仪器技术概述 (3)
2.1.1 虚拟仪器的定义 (3)
2.1.2 虚拟仪器的分类 (3)
2.1.3 虚拟仪器与传统仪器比较的优势 (5)
2.2 虚拟仪器开发平台 (7)
2.3 LabVIEW中的基本概念 (8)
2.4 本章小结 (9)
第三章信号发生器 (10)
3.1 测试信号的基本类型 (10)
3.2 测试信号的分析处理 (10)
3.3 在LabVIEW中设计信号发生器 (11)
3.4 本章小结 (13)
第四章滤波器 (14)
4.1 滤波器的概念 (14)
4.2 滤波器的分类 (14)
4.3 理想滤波器 (17)
4.4 实际滤波器的主要参数 (18)
4.5 在LabVIEW中设计滤波器 (20)
4.6 本章小结 (22)
第五章测试信号的频域分析与处理 (23)
5.1 离散时间傅里叶变换及其LabVIEW实现 (23)
5.1.1 数字信号处理中存在的误差及其解决办法 (23)
5.1.2 DFT的快速计算工具FFT (24)
5.1.3 时域分析与频域分析的功能比较 (25)
5.2 测试信号频谱分析及LabVIEW实现 (25)
5.3 本章小结 (28)
第六章设计实现 (29)
6.1 设计的基本步骤 (29)
6.2 在LabVIEW中实现设计总功能 (33)
致谢 (35)
参考文献 (36)
第一章绪论
1.1 虚拟仪器的发展趋势
虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术[1]。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。由于现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，犹如滚滚长江东流水，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器进步入了高科技的殿堂。
与传统的仪器不同，虚拟仪器(Virtual Instrument)是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现，因此软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”，从本质上反映了虚拟仪器的特征。
虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种。一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual Basic、VC++等。另一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有LabVIEW和Hp Vee。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。
1.2 课题的目的及意义
近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。网络化的测控系统大体上由两部分组成：测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。因此，这种“监控软件——数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论。现阶段，在雷达、地震、通讯、控制系统等越来越广泛的科学技术领域中都对实际所观察的信号提出了滤波和频谱分析的要求，然而，从测试现场采集到的信号中包含有对数据处理有用的信号同时也包含各种频率的噪声，噪声的能量有时候甚至会超过信号的能量，因此我们迫切地需要一种软件，它可以代替硬件完成所需要的功能，提供一种虚拟滤波器，采集的信号通过滤波器，使特定频率围的信号（有用信号）通过，而极大地衰减或抑制其他频率的信号（一般为噪声信号），提高信号分析的真实程度，然后才能对信号进行进一步处理。
虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，以透明的方式把计算机资源和硬件测试能力结合起来，用户可以灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模，我们可以通过它轻松地配置、创建、维护、修改各种解决方案，它满足了用户多种多样的需求，同时提高了工作效率、节省
了硬件资源。
随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，为虚拟仪器技术的发展提供了广阔的前景。在世界围，汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过LabVIEW提高了应用开发的效率，其应用涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段[2]。虚拟数字滤波器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用。
1.3 课题容
1.用LabVIEW设计一个多功能信号发生器，产生正弦波（或者方波、锯齿波等基本波形），保存并显示波形。
要求：信号的类型、幅值、频率、相位和采样信息均可调。
2.对信号加噪后显示其波形。
要求：噪声的幅值和采样信息均可调。
3.用Labview设计一个虚拟数字滤波器，将加噪后的信号输出到滤波器的输入端，对信号进行滤波，并显示滤波后的波形。
要求：滤波器的最佳特性逼近方式（巴特沃斯、）、通过的频带类型、低截止频率、高截止频率、阶数等参数均可调。
4.将滤波后的波形与基本波形分别在时域和频域比较，分析误差。
第二章LabVIEW与虚拟仪器
虚拟仪器系统是不断革新的计算机技术与仪器技术相结合的产物。它利用目前计算机系统的强大功能，结合专用的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级。
2.1 虚拟仪器技术概述
2.1.1 虚拟仪器的定义
一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用提高工作效率的强大功能。软件是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。有了虚拟仪器，用户就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定(完全由厂家提供)的传统仪器的限制。
2.1.2 虚拟仪器的分类
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：
1. PC总线——插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合
（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统[3]，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
2. 并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
3. GBIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多
方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
4. VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
5. PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是PCI总线核技术增加了成熟的技术规和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI 系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。
2.1.3 虚拟仪器与传统仪器比较的优势
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台。它可代替传统的测量仪器。
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律每半年提高一倍飞速发展已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。比起传统仪器,虚拟仪器有以下优势：
1. 灵敏性
虚拟仪器概念的提出是针对于传统仪器而言的，它们之间的最大区别是由虚拟仪器提供的，是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，而功能是由用户定义。而传统仪器则功能固定且由厂商定义，把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器则非常灵活，使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。每一个虚拟仪器系统都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务。虚拟仪器系统的价格可能与具有相似功能的传统仪器相差无几，也可能比它少很多倍。但由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本也不断累计。
虚拟仪器的灵活性体现在：
⑴不同的设备实现同一应用
一个测试项目（一个直流（DC）电压和温度测量应用）根据不同的应用场合可以采用不同的设备，却可以采用相同的程序代码。若是实验室验证，就可以应用台式计算机上PCI总线，使用LabVIEW 和DAQ 设备开发一个应用程序。若要应用于生产线，则可以采用PXI系统上配置应用程序。若是需要具有便携性，
就可以选择USB 总线的DAQ 产品来完成任务。
⑵一个设备实现不同应用
假设有两个不同的应用，一个是利用DAQ 设备和积分编码器来测量电机位置的项目?，另外一个是监视和记录这个电机的功率。即使这两个任务完全不同也可以重复利用同一块DAQ 设备，所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外，如果需要的话项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的DAQ 设备。
2. 兼容性
许多工程师和科学家都在实验室里将虚拟仪器和传统仪器结合使用。除此之外，一些传统仪器提供了特定的测量，工程师和科学家宁愿厂商定义也不愿自己定义。这就引出了一个问题：“虚拟仪器和传统仪器能够兼容吗？”虚拟仪器和传统仪器要并存一段时间，一些测试系统必然要将两者结合使用，虚拟仪器和传统仪器之间的兼容性问题成为关注的焦点，虚拟仪器可与传统仪器完全兼容，无一例外，虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线，如GPIB、串行总线和以太网相连接的函数库。除了提供库之外，200多家仪器厂商也为NI 仪器驱动库提供了4000余种仪器驱动。仪器驱动提供了一套高层且可读的函数以及仪器接口。每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计，从而为它独特的性能提供接口。
3. 测量方法
对于传统测量仪器而言?，根据测量需求选择满足测量功能的仪器型号或通过产品手册来查询确定合适的测量仪器购买即可。对于虚拟仪器而言，根据测量需求选择满足测量功能的数据采集卡型号（确定总线类型后），自定义测量、分
析功能。然后自行设计满足测量需求的虚拟仪器。当然设计工作也可以委托系统集成商来完成。基于计算机的数字化测量导致改变了一些传统的测量模式，这是一个很本质的变化。
4.硬件性能
虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。虚拟仪器技术致力于适应或使用诸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx 以及其他公司的高投入技术。例如，使用Microsoft 在操作系统（OS）和开发工具方面的巨大投资。在硬件方面，应用基于Analog Devices 在A/D 转换器方面的投资。
虚拟仪器系统是基于软件的，所以只要是可以数字化的东西，就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。虚拟仪器的硬、软件具有开发性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便的加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展。
5. 简便性
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，
符合传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程，它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。
不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数，工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。
6. 测量输入信号特性
测量输入信号特性(如电压、频率、上升时间等)只需要一个量化的数据模块，要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试的时间，从而提高了测试速度。
在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面、条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理，其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在
同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。
2.2 虚拟仪器开发平台
从虚拟仪器的概念出发，不难发现，软件——虚拟仪器的开发平台是虚拟仪器的精髓，而LabVIEW正是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。作为美国国家仪器公司推出的虚拟仪器开发平台，LabVIEW以其直观、简便的编程方式[4]，众多的源码级的设备驱动程序，多种多样的对分析和表达功能的支持，为用户快捷地构建自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。
由于采用了图形化编程语言——G语言，LabVIEW产生的程序是框图的形式[5]，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间掌握并应用到实践中去。
LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器，但是LabVIEW程序很容易改变设置和功能。因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，以及对信号进行分析、研究、传输等场合。
2.3 LabVIEW中的基本概念
在LabVIEW开发出的应用程序被称为VI（Virtual Instrument的英文所写，即虚拟仪器）。VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序[6],由Front Panel(前面板)和Block Diagram(后面板)两部分构成。
前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由Controls(控制量)和Indicators(显示量)构成[7,8]。当程序运行时，用户通过控制量（例如用户输入
数据的文本框以及一些按钮、开关等）输入数据和控制程序运行[9]，而显示量（例如显示波形的示波器控件等）则主要用于显示程序运行的结果[10]。如果将一个VI程序比作一台仪器的话，那么，控制量就是仪器的数据输入端口和控制开关，用于给程序提供输入数据和控制信号，而显示量则是仪器的显示窗口，用于显示经过程序分析、处理后的结果[11]。图2.1展示了用LabVIEW编写程序的前面板，其中有一个显示量和四个控制量。
图2.1 LabVIEW程序的前面板
这个程序用一个锯齿波发生器产生信号，信号的相位、频率、幅值可控制，然后用“示波器窗口”显示出来。简单地说，控制量和显示量构成了一个VI的基本输入和输出组件。
图2.2 LabVIEW的后面板
图2.2展示了上述程序的后面板，后面板是VI的代码部分，也是VI的核心，从图2.2中可以看出VI的后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、VIs、Express VIs，正是它们构成了VI的主体[12]。
如果把VI的前面被比作一个仪器的操作面板，用于信号的输入、结果的显示以及控制仪器的运行，那么后面板就是仪器中的电路板和电路元件，主要用来进行信号的分析和处理。
2.4 本章小结
这一章概述了LabVIEW的相关背景知识，介绍了LabVIEW作为一种图形化编程语言——G语言的基本特征及其相对于传统编程语言的优势、LabVIEW 与虚拟仪器技术的关系，以及LabVIEW在虚拟仪器技术中所担当的重要角色。