1、1.1外發展現狀第一章緒論在目前的測試領域中，越來越廣泛地利用相關檢測的方法進行濾波，利用相關濾波可以 方便地從復雜的待測信號（包括有用信號、隨機噪聲和諧波頻率等成分等）中分離出某一 特定頻率的信號，在數字技術迅速發展以后，相關濾波也經常利用印。版對信號采樣后， 在計算機中實現，成為數字濾波器的一種形式，本文設計了一種實現相關濾波的方法，這 是相關分析在測試技術中的-個典型應用Labview是美國國家儀器公司推出一種基于“圖 形”方式的集成化程序開發環境，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程序言，在以PZ 機為基礎的測量和工控軟件中, Labview開發環境具有一系列優點，從流程圖式的編程，不

2、需要先編譯就存在語法檢測和調試過程使用的數據指針，到其豐富的函數、數值、信號處 理和設備驅動等功能，應用Labview進行濾波器設計，效率高，操作簡單，并能對誤差精 度進行實時調整，把傳統儀器利用Labview用軟件的方法來實現，開發周期短，易于維護 和升級，可以設計出傳統儀器所不能比擬的虛擬儀器，“軟件就是儀器” 一這就是虛擬 儀器技術的精髓。傳統儀器是由廠家設計并定義好功能的封閉式機構，每種儀器實現一種特定的功能。隨 著計算機技術和傳統儀器儀表技術的結合，在必要的數據采集硬件和計算機的幫助下，通 過軟件實現儀器的全部功能的新式儀器一虛擬儀器出現了。虛擬儀器技術作為新興的構 造儀器技術，它可

3、以部分實現甚至全部實現物理儀器功能。與傳統儀器相比具有許多優點： 對測試量的處理和計算可更復雜且處理速度更快，測試結果的表達方式更加豐富多樣，可 以方便地存儲和交換測試數據，價格低，技術更新快。它的最大特點就是把由儀器生產廠 家定義儀器功能的方式轉變為由用戶自己定義儀器功能，滿足多種多樣的應用需求。1.2選意義數字濾波器是數字信號分析中的重要組成部分，它實現對信號的濾波、提取、增強信號的 游泳分量、削弱無用的分量。經典濾波器的特點是輸入信號中的有用頻率成分和希望濾除 的頻率成分各占有不同的頻帶，通過一個合適的選頻濾波器達到濾波目的。但如果信號和 干擾的頻率相重疊，那么經典濾波器將無能為力，這時

4、需要采用現代濾波器，加維納濾波 器、卡爾曼濾波器、自適應濾波器等。從實現的網絡結構或從單位脈沖響應分類，數字濾 波器可以分為無限脈沖相應濾波器和有限脈沖相應濾波器。與IIR相比，FIR數字濾波器能 夠被設計成具有線性相位特性的濾波器。因此，它在要求具有線性相位的應用場合具有廣 泛的應用。數字濾波器的設計方法很多，其中較為常用的是窗函數設計法和頻率采樣設計 法。本文介紹一種利用窗函數設計的虛擬濾波器。Labview為設計者提供了 FIR和舊濾波器VI，使用起來非常方便，只需要輸入相應的指 標參數即可，不需要進行復雜的函數設計和大量的運算。濾波器VI位于Labview流程圖面 版的 Functio

5、nAnalyzeSignal ProcessingFilters 上?；?Labview 的 IIR 數 字濾波器的設 計。不同濾波器VI濾波時均有各自的特點，因此它們用途各異。在利用Labview實現濾波功 能時，選擇合適的濾波器是關鍵，在選擇濾波器時，可參照不同濾波器的特點，考慮濾波 的實際要求來選擇合適的濾波器。1.3虛擬儀器系統組建方案通過各種不同的接口總線，組建不同規模的自動測試系統。虛擬儀器系統按硬件構成 方式，可有以下幾種組建方案：GPIB儀器通過GPIB接口卡與計算機組成GPIB系統。VX I儀器與計算機組成VXI系統。(3)PXI儀器組成PXI系統。(4)以DAQ和信號調理

6、部分為硬件組成PC-DAQ測試系統。并行總線儀器組成并行總線系統。串行總線儀器組成串行總線系統。現場總線設備組成現場總線系統。第二章LabVIEW簡介2.1 LabVIEW 概述LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境簡稱，是功能強大、復雜程序開發環境。包含圖 形編程語言開發數據采集、信號分析、儀器控制領域的虛擬儀器應用程序。LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發的一個功能大而又靈活的儀器和分析 軟件應用開發工具。類似于6和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著 區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化 編輯語言G編寫

7、程序，產生的程序是框圖的形式。與6和BASIC -樣，LabVIEW也是通用編程系統，有一完成任何編程任務龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB. 串 口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等LabVIEW也有傳統的程序調試工具，加設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序(子 VI)的結果、單步執行等等，便于程序的調試。LabVIEW 程序稱為“虛擬儀器”或簡稱為VI。LabVIEW不同于基于文本的編程語言(如 Fortran和C)，它是一種圖形編程語言一通常成為G編程語言，其編程過程就是通過圖 形符號描述程序的行為。LabVIEW使用的是科學家和工程師們所熟悉的術語，還使用

8、了易 于識別的構造G語言的圖形符號。即使具有很少變成經驗的人也能學會使用LabVIEW，并 能夠發現和了解一些有用的基本編程原則。如果從前未編過程(成許有一些編程經驗但已 忘了許多)，在鉆研G編程語言之前，需要復習一下編程方面的基本概念。LabVIEW系統由其應用執行文件和許多相關文件以及子目錄組成。LabVIEW使用文件 和目錄來存儲創建VI所必需的信息，部分重要的文件和目錄如下：LabVIEW 可執行程序：用于啟動LabVIEW。vi.lib目錄：該目錄包含VI庫，加數據采集、儀器控制和分析VI。它必須與LabVIEW 執行程序在同一目錄下。不要改變vi.lib目錄名稱，因為LabVIEW

9、啟動時要查找該目錄。如 果改變此名稱，就不能使用眾多的控件和庫函數。Examples目錄：該目錄包含許多VI示例，這些例子示了 LabVIEW的功能。user.lib目錄：用戶創建的VI保存于該目錄并將出現在LabVIEW的Functions Palette (函數選項版)上。instr.lib目錄：如果希望用戶儀器驅動程序庫出現在LabVIEW的函數選項版上，應 將其放置在該目錄下。Learning目錄：該目錄包含有用戶使用時所需要的叫庫。2.2 LabVIEW的操作模板LabVIEW具有多個圖形化的操作模版，用于創建和運行程序。這些操作模版可以隨意在屏 幕上移動，并可以置在屏幕的任意位置。

10、操縱模板共有三類，為工具(Tools )模版、控 制(Controls)模板和功能(Functions)模板。一工具模板工具模版為編程者提供各種用于創建、修改和調試VI程序的工具。可在Windows菜 單下選Show Tools Palette 以顯示模版。從模版選擇任一工具后鼠標箭頭就會變成該工具相 應形狀。當從 Windows菜單下選擇Show Help Window, 把選定的任一工具光標放在框圖程 序的子程序或圖標上，就會顯示幫助信息。LabVIEW 的幾種工具圖標，從左往右且從上往下，依照順序依次介紹這幾種常用工具 的功能：操作工具：來操作前面版控制和顯示。用它鍵入值時工具變標簽形狀

11、。選擇工具：選擇、移動或改變對象大小。用改變對象連框會變相應形狀。標簽工具：輸入標簽文本或建自由標簽。當建自由標簽時會變相應形狀。連線工具：在框圖程序上連接對象。幫助窗口打開會顯示其數據類型。對象彈出菜單工具：用左鼠標鍵可以彈出對象的彈出式菜單。漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游。斷點工具：使用該工具在VI的框圖對象上設置斷點。探針工具：在框圖程序數據流線上設置探針。通過窗口看數據流變化。顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。顏色工具：用來給對象定義顏色。它也顯示出對象的前景色和背景色。二.控制模版控制模版可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個圖標代表一

12、個子模板。如果控制 模版不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的 空白處點擊鼠標右鍵。但只在前面版時才能調用它?？刂颇０鎻淖笸仪覐纳贤拢来谓榻B它所包含的幾個子模板：數值子模板：包含數值的控制和顯示。布爾值子模塊：邏輯數值的控制和顯示。字符串子模板：字符串和表格的控制和顯示。列表和環(Ring)子模板：菜單環和列表欄的控制和顯示。數組和群子模版：復合型數據類型的控制和顯示。圖形子模版：顯示數據結果的趨勢圖和曲線圖。路徑和參考名(Refnum)子模板：文件路徑和各種標識的控制和顯示。控件容器庫子模版：用于操作。LE、Active

13、X等功能。對話框子模板：用于輸入對話框的顯示控制。修飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。用戶自定義的控制和顯示。調用存儲在文件中的控制和顯示的接口。三.功能模版功能模版是創建框圖程序的工具。該模塊每一頂層圖標都表示一個子模板?？梢杂肳indows 菜單下的Show Functions Palette 功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標右 鍵。只有打開了框圖程序窗口，才能出現功能模版。功能模版從左往右且從上往下，依次介紹它所包含的幾個子模板：結構子模板：包括程序控制結構命令以及全局變量和局部變量。數值運算子模板：包括各種常用數值運算符以及數值運算式、數值常數。布爾邏輯子模

14、板：包括各種邏輯運算符以及布爾常數。字符串運算子模板：串操作函數、數值與字符串間轉換函數、字符常數。數組子模版：包括數組運算函數、數組轉換函數，以及常數數組等。群子模板：包括群的處理函數、群常數等。此群相當于6語言中的結構。比較子模板：包括各種比較運算函數，加大于、小于、等于。時間和對話框子模版：包括對話框窗口、時間和出錯處理函數等。文件輸入/輸出子模板：包括處理文件輸入/輸出的程序和函數。(10 )儀器控制子模版：GPIB、* jj、VXI控制程序和函數、VISA功能函數。(11 )儀器驅動程序庫：用于裝入各種儀器驅動程序。(12)數據采集子模版：數據采集硬件驅動程序、信號調理所需各種功能模

15、塊。(13 )信號處理子模版：包括信號發生、時域及頻域分析功能模塊。(14)數學模型子模塊：統計、曲線擬臺等功能模塊，微分、積分等工具模塊。(15 )圖形與聲音子模塊：包括3。、OpenGL、聲音播放等功能模塊。(16 )通訊子模版:包TCP、DDE、ActiveX和。LE等功能的處理模塊。(17 )應用程序控制子模塊:包括動態調用VI、標準可執行程序的功能函數。(18)底層接口子模塊：包括調用動態連接庫和CIN節點等功能的處理模塊。(19 )文檔生成子模版。(20)示教課程子模版：包括LabVIEW示教程序。(21 )用戶自定義的子VI模版。(22) “選擇VI子程序”子模版：可選擇任一 V

16、I作子程序插入當前程序中。第三章數字濾波器的設計3.1基于LabVIEW的數字濾波器設計數字濾波器的傳統設計過程可歸納為以下三個步驟:按照實際需要確定濾波器的性能要求。用一個因果穩定的系統函數(即傳遞函數)去逼近這個性能要求。此函數可以分為 兩類：即IIR傳遞函數和舊傳遞函數。用一個有限精度的運算去實現這個傳遞函數。FIR濾波器設計實質是確定能滿足要求的轉移序列成脈沖響應的常數，設計方法主要有窗 函數法、頻率采集法和等波紋最佳逼近發等。目前，FIR濾波器設計有封閉的設計公式。 雖然窗函數法對窗口函數可給出計算公式，但計算通帶與附帶衰減仍無計算公式。FIR濾 波器的設計只有計算程序可循，因此對計

17、算工具要求較高，不用計算機編程一般很難實現。IIR濾波器的設計源于模擬濾波器設計，它通過對低通濾波器進行模擬頻率變換得到。常 用的 IIR濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器。目前， IIR濾波器的設計可以借助模擬濾波器的成果，有封閉形式的設計公式，對計算工具的要求 不高。IIR濾波器的設計雖然簡單，但脫離不了模擬濾波器的設計模式，主要用于設計低通、高 通、帶通及帶阻濾波器。而FIR濾波器的設計要靈活的多，尤其是頻率采集設計法更易適 應各種幅度特性和相位特性的要求。電力系統濾波器可以從電力信號中將所需頻段的信號提取出來并將干擾信號濾除成大大 衰減。利用LabVIEW

18、可以設計出滿足電力系統需要的濾波器，利用LabVIEW設計的IIR數 字濾波器前面板，前面板上有參數設置、波形顯示兩個區域。在參數設置區域有六個設置 項：濾波器選擇、濾波器類型、下載止頻率、上截止頻率、采樣頻率、階次、紋波、衰減; 選擇的濾波器不同時，需要設置的項也不同。波形顯示區域用于顯示濾波器前后的波形， 在此區域可直觀地看出濾波效果。利用LabVIEW實現的數字濾波，采用了圖形語言編程，與采用文本語言編程相比，能縮短40%70%的開發時間；與硬件儀器相比，又具有容易調整濾波器類型、降低成本、濾波 效果直觀等優點?；贚abVIEW編寫的程序還可以將其作為子程序在其他虛擬儀器系統中 調用，

19、大大增強了程序的通用性。3.2數字濾波器的選擇步驟LabVIEW為設計者提供了 FIR WIIR濾波器VI，使用起來非常方便，只需要輸入相應的指標參教即可，不需要進行復雜的函教設計和大量的運算。濾波器VI位于LabVIEW流程圖面FunctionAnalyzeSignal ProcessingFilters上。不同濾波器VI時均有各自的特點，因此它們用途各異。在利用LabVIEW實現濾波功能時，選擇合適的濾波器是關鍵，在選擇濾波器 時，可參考不同濾波器的特點，考慮濾波的實際要求來選擇合適的濾波器。各種濾波器的特點及選擇濾波器的步驟見下圖。打隆沖擊聊切比性夫II S波卻是.甚酬巴特T 11 eB

20、 Hl有圈沖由響一切就關:蠣;蚪 c 5I邳戲.圖3.1敬字濾波器選擇步驟利用LabVIEW可以設計出滿足電力系統需要的濾波器，圖3.2為利用LabVIEW設計的IIR 教字濾波器前面板，前面板上有參教設置、波形顯示兩個區域。在參教設置區域有六個設置項：濾波器選擇、濾波器類型、下截止頻率、上截止頻率、采樣頻率、階次、紋波、衰 減；選擇的濾波器不同時，需要設置的項也不同。波形顯示區域用于顯示濾波前后的波形,在此區域可直觀地看出濾波效果。圖3.2數字濾波器前面板濾波器的輸入信號是從電力系統中采集的，信號中含有頻率為50Hz，有效值為220V的基 頻分量，和頻率為100Hz、150Hz、200Hz的

21、二次、三次、四次諧波。現欲提取出基頻分量， 濾去高次諧波，采用低通濾波方式濾波，濾波階次為8階，紋波為0.1,衰減為60，下截 止頻率為50Hz，分別采用巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、切比雪夫11濾波器、橢圓濾 波器和貝塞爾濾波器濾波，濾波器的輸入信號與不同濾波器的輸出波形如圖3所示。由圖 3.3可以看出采用不同的濾波器濾波，濾波效果是不同的。在此實例中，巴特沃思濾波器 和切比雪夫濾波器的濾波效果相對較好；而切比雪夫11濾波器的濾波延遲時間較長；貝塞 爾濾波器濾波的衰減較大。因此，要根據不同的工況要求來選擇合適的濾波器濾波。400300-?nn-300-400 300：-200-300-0-

22、LD0!-100：-200-200-30D-300：-4001-400-300-%釧特沃思濾波器濾波后的波形-100-400-300-c）經切比雪夫濾波器濾波后的波形c）經切比務夫濾波器濾波后的波甘d）經切比了夫H濾波器濾波后的波形400-300-200-100-100-Z00-300-圖3濾波器的輸入和輸出信號0-d）經切比宣夫n濾波器濾波后的波形-10O-200-圖3.3濾波器的輸入和輸出信號第四章利用虛擬儀器測試典型電路4.1穩壓電源一穩壓電源的工作原理本次課程設計所設計的穩壓電源是串聯反饋式的穩壓電源，它的實際電路設計結構圖 加圖4-1所示，圖中Vi=12V是整流濾波電路的輸出電壓，Q

23、為調整管，LM358P運是穩 壓電源的核心芯片，其組成的電路為比較放大電路，Vref為基準電壓，它由一個5.1V的穩壓管與一個5.1K的電阻串聯所構成的簡單穩壓電路獲得，R1和R2組成反饋網絡，用來反映輸出的電壓。圖4.1串聯反饋式穩壓電路的結構圖串聯型穩壓電源由基準電壓、比較放大環節、調整環節、取樣環節組成。其中調整環 節就是一個射極輸出器。取樣環節是將輸出電壓量取出，加到誤差比較放大器的反相輸入 端，與同相輸入端的基準電壓相比較。這種穩壓電路的主回路是起調整作用的。與負載串聯，故稱為串聯式穩壓電路。輸出 電壓的變化量由反饋網絡取樣經放大電路（A）放大后去控制調整管Q的c-e極間的電壓 降，

24、從而達到穩定輸出電壓Vo的目的。穩壓原理可簡述如下：當輸入電壓Vi增加（或負 載電流Io減?。r，導致輸出電壓Vo增加，隨之反饋電壓Vf=R2Vo/（ R1+R2）=FvV o也增 加（Fv為反饋系數）。Vf與基準電壓Vref相比較，其差值電壓經比較放大電路放大后使Vb 和Ic減小，調整管Q的c-e極間電壓Vce增大，使Vo下降，從而維lVo基本恒定。同理，當輸入電壓Vi減小（或負載電流Io增加）時，亦將使輸出電壓基本保持不變。在深度負反饋條件下，時，可得上式表明，輸出電壓Vo與基準電壓Vref近似成正比，與反饋系數Fv成反比。當Vref及Fv已定時，。也就確定，因此它是設計穩壓電路的基本關系

25、式。二.穩壓電源的虛擬測控本次課程設計，主要的操作平臺和設備是NI ELVIS。它是一個基于LabVIEW 的虛擬儀 器組成，它是一套多功能數據采集設備與一個用戶自定義的工作臺，工作臺上還有一塊原 型實驗面包版。這一整套設備即可為實驗室提供諸多常用儀器的功能，包括示波器、函數 發生器、數字萬用表、可編程控制的電源以及波特分析器、動態信號分析儀與任意波形發 生器。穩壓電源的虛擬測控操作具體步驟如下：根據電路的結構圖，在面包板上搭接電路。將面包版SUPPLY+ 口和地口分別與NI ELVIS前面板的數字萬用表測電壓口的正極 和地極相接并打開前面版SUPPY+電源，旋轉電壓調節旋鈕，然后打開NI E

26、LVIS軟件，點 Digital Multimeter觀測電壓值，直到值為12V，停止旋轉。將芯片的8腳和電路中的輸入電壓源接在面包板的SUPPLY+口，再將芯片4腳和 RL的一端接地。將要測量的5.1K電阻的一端延伸出一條導線接入數字萬用表的測量電壓口的正極， 另一端與數字萬用表的地端相接。一切接線完畢后，打開前面版電源，同時打開NI ELVIS軟件，點Digital Multimeter觀測5.1K電阻兩端的電壓值。其電壓值大約為6.1V左右。圖4.2穩壓電源的虛擬測控電壓值4.2方波發生器-方波發生器的工作原理方波發生電路是一種能夠直接產生方波成矩形波的非正弦信號發生電路。由于矩形波 包

27、含極豐富的諧波，因此，這種電路又稱為多諧振蕩器?；倦娐返慕M成加圖4.3所示， 它是在遲滯比較器的基礎上，增加了 一個由Rf、C組成的積分電路，把輸出電壓經Rf、C 反饋到集成運的反相端。在運的輸出端弓1入限流電阻日和兩個穩壓管而組成的雙向限 幅電路。由圖可知，電路的正反饋系數F為：F=R2/ （ R1+R2 ）在接通電源的瞬間，圖4.3電路的輸出電壓究偏于正向飽和還是負向但和，純屬偶然。 設輸出電壓偏于負飽和值，即Vo=-Vz時，則集成運同相端的電壓為-FVz,而加欲反相端 的電壓，由于電容器C上的電壓。不能突變，只能由輸出電壓V。通過電阻R按指數規律 f向6充電來建立，充電電流為i+。顯然

28、，當加到反相端的電壓Vc賂負于-FVz時，輸出電 壓便立即從負飽和值（-Vz ）迅速翻轉到正飽和值（+Vz）, +Vz又通過Rf對C進行反向充 電，充電電流Ki-。直到Vc賂正于FVz值時，輸出狀態再翻轉回來。如此循環不巳，就形 成一系列的方波輸出。圖4.3雙向限幅的方波產生電路通常將矩形波為高電平的持續時間與振蕩周期的此稱為占空比。對稱方波的占空比為50%。加需產生占空比小于或大于50%的矩形波，只需適當改變電容6的正、反向充電時 間常數即可。實現此目標的一個方案是，將圖4.4所示網絡接入圖4.4申節點0、NI間，代 替電阻Rf。NC1圖4.4改變正、反向充電時間常數的一種網絡這樣，當Vo為正時，D1導通而D2截止，反向充電時間常數為R,C ；當Vo為負時，D1 截止而D2導通，正向充電時間常數為R/。選取Rfi/ Rf2的比值不同，就改變了占空比。設 忽略了二極管的正向電阻，此時的振蕩周期為：|=島+凡g孕二.方波發生器的虛擬測控方波發生器的虛擬測控操作具體步驟如下：(1 )根據電路的結構圖，在面包板上搭接電路。(2)將面包版SUPPLY+ 口和地口分別與NI ELVIS前面板的數字萬用表測電壓口的正極 和地極相接并打開前面版SUPPY+電源，旋轉電壓調節旋鈕，然后打開NI ELVIS軟件，點 Digital Multimeter觀