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数字温度计设计2.rar

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    数字 温度计 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文基于 LabVIEW 的数字滤波器设计专 业: 电子信息工程 指导教师: 屠葵葵 学生姓名: 叶海威 学生学号: 072004110498 中国﹒贵州﹒ 贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ...........................................................................................................................................IIIAbstract.....................................................................................................................................IV第一章 绪论 .............................................................................................................................51.1 课题研究意义 .............................................................................................................51.2 国内外研究状况 .........................................................................................................61.3 课题研究内容 .............................................................................................................7第二章 虚拟仪器及 LabVIEW...............................................................................................82.1 引言 .............................................................................................................................82.2 虚拟仪器 .....................................................................................................................82.2.1 虚拟仪器系统的构成 .......................................................................................82.2.2 虚拟仪器的特点 ...............................................................................................92.2.3 虚拟仪器发展状况 ...........................................................................................92.3 LabVIEW 简介 .........................................................................................................102.3.1 LabVIEW 发展概况 .......................................................................................102.3.2 LabVIEW 开发环境 .......................................................................................112.3.3 LabVIEW 程序设计结构 ...............................................................................112.3.4 LabVIEW 程序运算形式 ...............................................................................12第三章 数字滤波器理论研究 ...............................................................................................143.1 前言 ...........................................................................................................................143.2 数字滤波器的定义和分类 .......................................................................................153.3 IIR 数字滤波器结构 ................................................................................................153.4 FIR 数字滤波器结构 ...............................................................................................193.5 IIR 与 FIR 数字滤波器的比较 ................................................................................21第四章 基于 LabVIEW 的数字滤波器的设计 ....................................................................234.1 数字滤波器的设计思路 ...........................................................................................234.2 双通信号源的设计 ...................................................................................................234.2.1 正弦波发生器的设计 .....................................................................................23贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页4.2.2 方波发生器的设计 .........................................................................................244.2.3 三角波发生器的设计 .....................................................................................254.2.4 均匀白噪声、脉冲函数和冲击函数发生器的设计 .....................................264.2.5 双通信号源的前面板设计 .............................................................................284.2.6 双通道信号源的程序框图设计 .....................................................................284.3 数字滤波器的设计理念 ...........................................................................................304.3.1 巴特沃斯滤波器的设计 .................................................................................304.3.2 切比雪夫滤波器的设计 .................................................................................314.3.3 窗函数滤波器的设计 .....................................................................................324.3.4 数字滤波器的前面板设计 .............................................................................334.3.5 数字滤波器的程序设计 .................................................................................344.4 程序测试 ...................................................................................................................36第五章 结论与展望 ...............................................................................................................41参考文献 ...................................................................................................................................42致谢 ...........................................................................................................................................43贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页基于 LabVIEW 的数字滤波器设计摘要由于电子技术、计算机技术的高速发展,我们正处在数字化时代,数字信号处理技术受到了人们的广泛关注,其理论及算法随着计算机技术和微电子技术的进步得到了飞速的发展,被广泛应用于语音图象处理、数字通信、谱分析、模式识别、自动控制等领域。数字滤波器是数字信号处理系统中最重要的组成部分之一,几乎出现在所有的数字信号处理系统中。数字滤波器是数字信号分析中重要的组成部分,数字滤波器与模拟滤波器相比具有准确度和稳定性高, 系统函数容易改变 , 灵活性高, 不存在阻抗匹配问题,便于大规模集成, 可实现多位滤波等优点, 因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用。但是, 应用文本软件实现的数字滤波器在使用过程中存在难以调整滤波系数、与硬件接口程序、开发周期长等不足。LabVIEW 是图形化开发环境, 它具有功能强大、编程效率高、界面友好、参数修改方便等优点, 同时它在功能完整性和应用灵活性上也不逊于任何高级语言。本文对数字滤波器的设计中选择了开放式的LabVIEW 软件, 设计交互式界面可以有效地解决以上提到的一些问题。本文中系统是基于 LabVIEW 而编写的,整个系统是由信号发生模块和数字滤波模块两部分组成。信号发生模块能够产生正弦波和方波等标准信号,并且在特定的条件下可以进行信号分离或者叠加。数字滤波模块分为滤波模块,波形显示模块和幅频、相频响应显示模块主要是对输入离散信号的数字代码进行运算处理。关键词:数字信号处理;数字滤波器;虚拟仪器;LabVIEW贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页Design Of Digital Filter Based On LabVIEWAbstractAs electronic technology, computer technology, rapid development, we are in the digital age, digital signal processing technology has been widespread concern about the theory and algorithm with the computer and microelectronics technology has been rapid progress in the development of widely used in speech image processing, digital communications, spectral analysis, pattern recognition, automatic control and other fields. Digital filter is a digital signal processing systems is one of the most important part, almost in all digital signal processing systems. Digital filter is a digital signal an important part of the analysis, digital filter and analog filter compared with the high accuracy and stability of the system function to change, flexible, there is no impedance matching problem and to allow large-scale integration filter can achieve a number of advantages, so the digital filter in the project has been widely used. However, the application software of the digital filter text in the course of existence is difficult to adjust the filter coefficients, and hardware interface program, such as lack of a long development cycle. LabVIEW is a graphical development environment, it has a powerful, high programming efficiency, friendly interface and easy parameter modification, and it flexibility in the application of functional integrity and no worse than on any high-level language. In this paper, the design of digital filters selected open LabVIEW software to design interactive interface can effectively solve some of the problems mentioned above. System is prepared based on LabVIEW, the whole system is composed of modules and digital signal filter module composed of two parts. Signal module can generate standard sine and square wave signals, and under certain conditions the signal can be separated or superimposed. Digital filtering module is divided into filter module, waveform display module and the amplitude frequency, phase frequency response display module is mainly the number of the input discrete signal processing operation code. Keywords: Digital Signal Process, Digital Filter, Virtual Instrument, LabVIEW第 1 章 绪论1.1 课题研究意义几乎在所有的工程技术领域中都会涉及到信号的处理问题,其信号表现形式有电、磁、机械以及热、光、声等。信号处理的目的一般是对信号进行分析、变换、综合、估值与识别等。如何在较强的噪声背景下提取出真正的信号或信号的特征,并将其应用于工程实际是信号处理的首要任务。根据处理对象的不同,信号处理技术分为模拟信号处理系统和数字信号处理系统。数字信号处理(Digital signal Processing,DSP) 与模拟信号处理相比有许多优点,如相对于温度和工艺的变化数字信号要比模拟信号更稳健,在数字表示中,精度可以通过改变信号的字长来更好地控制,所以 DSP 技术可以在放大信号的同时去除噪声和干扰,而在模拟信号中信号和噪声同时被放大,数字信号还可以不带误差地被存储和恢复、发送和接收、处理和操纵。许多复杂的系统可以用高精度、大信噪比和可重构的数字技术来实现。目前,数字信号处理已经发展成为一项成熟的技术,并且在许多应用领域逐步代替了传统的模拟信号处理系统,如通讯、系统控制、电力系统、故障检测、语音、图像、自动化仪器、航空航天、铁路、生物医学工程、雷达、声纳、遥感遥测等。数字信号处理中一个非常重要且应用普遍的技术就是数字滤波。所谓数字滤波,是指其输入、输出均为数字信号,通过一定的运算关系改变输入信号所含的频率成分的相对比例或滤除某些频率成分,达到提取和加强信号中的有用成份,消弱无用的干扰成份的目的。数字滤波与模拟滤波相比,有精度高、可靠性高、灵活性好等突出优点,可以满足对幅度和相位的严格要求,还能降低开发费用,缩短研制到应用的时间,在很多领域逐步代替了传统的模拟信号系统。随着科学技术的发展,在测量领域中需要不断更新测量设备,以满足越来越高的测量要求。在我国,传统仪器技术还比较落后,目前有大批陈旧的测试仪器等待更新。这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外,并且自动化程度较低。高档仪器基本上依靠国外进口,每年都消耗国家大量外汇。然而,花大量资金购买的仪器,可能我们只需要其中的一部分功能,同时有些其他应用的功能要求,该仪器却满足不了。这些情贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 6 页况无疑是大大浪费了投资。设想要是能将仪器稍微改动以实现更大的使用范围该多好。但是这对于传统仪器来说是非常困难的。虚拟仪器的出现,可能将彻底改变这种局面。1.2 国内外研究状况20 世纪 60 年代起,由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展,滤波器的发展上了一个新台阶,朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉等方向努力,其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向,导致数字滤波器、RC 有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70 年代后期,上述几种滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用,90 年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然,对滤波器本身的研究仍在不断进行。如今由于虚拟仪器概念的产生再一次使数字滤波器发展进入新的阶段。虚拟仪器的概念,是美国国家仪器公司(National Instruments Corp,简称 NI)于1986 年提出的。80 年代以来,NI 公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器,成为这类新型仪器世界第一生产大户。此后,美国的惠普(HP)公司,Tektronix 公司,Racal 公司等也相继推出了许多此类仪器,并在短短的 20 年左右的时间里占有了世界仪器市场的 20%以上 [1]。虚拟仪器技术目前在国外发展很快,以 NI 公司为代表的一批厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国,虚拟仪器系统及其图形编程语言,已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。据“世界仪表及自动化 ”杂志预测,21 世纪初叶,世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家,其品种将达到数千种,市场占有率将达到 50%左右。虚拟仪器将成为本世纪仪器发展的方向,而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势 [2] 。经过十几年发展,而今虚拟仪器技术正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台图形化和硬件模块的即插即用方向前进,以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,加上计算机技术和网络技术的迅猛发展,建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷,价格也会越来越低,使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种趋势,同样,虚拟仪器及技术也将成为学贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 7 页校未来教学科研的重要方法和手段,特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。虚拟仪器可以取代测量技术传统领域的各类仪器, “没有测量就没有鉴别,科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用,对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。1.3 课题研究内容本文主要对数字滤波器进行深入的了解,通过查阅书籍和资料学习数字滤波器的基本原理、实现方法及其所能完成的基本功能。数字滤波器实现方法主要有无限冲激响应数字滤波器(IIR)和有限冲激响应数字滤波器(FIR)两种,其中,FIR 滤波器由有限个采样值组成,而 IIR 滤波器需要执行无限次卷积。然后主要是数字滤波器的理论研究。从原理上理解、分析、研究数字滤波器,并在 LabVIEW 虚拟仪器图形编程语言软件上进行设计实现。本文就 LabVIEW 实现各种数字滤波器,主要完成的任务有: 研究数字滤波器的基本理论、实现方法。通过学习数字滤波器的结构、设计理论,掌握各种数字滤波器的原理和特性。为设计实现数字滤波器奠定理论基础。 在 LabVIEW 软件环境下实现各种数字滤波器,并研究各种数字滤波器的设计方法。 通过软件实现虚拟数字滤波器,运用所设计的滤波器对信号进行处理,比较结果,得出虚拟数字滤波器和传统仪器的差别。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 8 页第 2 章 虚拟仪器及 LabVIEW2.1 引言虚拟技术、网络技术与计算机通讯技术,被称为 21 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术被称作为三大核心技术之首,足见它在广义上已经不仅是一种技术,而是一个有着影响人类社会发展、改变人类生活的具有深层含义的领域。早在 20 世纪 80年代,美国国家仪器公司(National Instruments Corp,简称 NI)首先提出了虚拟仪器的概念。它以计算机为基础,配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口,利用虚拟仪器软件开发平台(如 LabVIEW,LabWindows 等) ,在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板(包括显示器、指示器、旋钮、开关、按键等)以及相应的功能。由于传统测控设备一般只能独立完成一项具体的测控任务和功能,而在虚拟测试平台上通过接收多个传感器信号,对应编制不同的应用软件可以完成多种测控功能。因此虚拟测控平台是一个多输入多输出的开发平台,它可以将多种传统测控设备集中于一套系统中,同时他的开放性与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展。2.2 虚拟仪器2.2.1 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器从构成要素上讲,由计算机、应用软件和仪器硬件等构成;从构成方式上讲,则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC-DAQ 测试系统,或以GPIB,VXI,Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种 VI 系统,都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此,软件是关键,仪器的各种功能是通过软件来实现的。虚拟仪器的构成方式如图 2.1 所示 [3] :贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 9 页图 2.1 虚拟仪器的构成方式2.2.2 虚拟仪器的特点计算机技术与仪器技术完美结合的产物,代表了仪器仪表的发展方向。虚拟仪器与传统的仪器相比较,其优越性可从虚拟仪器本身所具有的特点充分体现出来。具有较强的灵活性,能充分的利用发挥现有计算机先进技术,是一起的测量、测试及自动化工业的系统测试和监控变得方便快捷;虚拟仪器是死的但是人们能够根据自己的需求和设计,通过编程来设计组建自己的仪器系统而不受仪器厂商的限制;虚拟仪器融合了测试理论,仪器原理和技术,计算机接口技术以及图形化软件编程技术。实现了仪器的多样化、智能化、模块化和网络化,体现了多功能,低消耗,低成本,灵活应用,操作方便等优点 [4]。2.2.3 虚拟仪器发展状况虚拟仪器的概念,是美国国家仪器公司(National Instruments Corp,简称 NI)于1986 年提出的。此后,NI 公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器,成为这类新型仪器世界第一生产大户。近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统,并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件,是 NI 公司的 LabVIEW软件和 LabWindows/CVI 开发软件。LabVIEW 采用图形化编程方案,是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的、在 Windows 环境下的
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