1、摘 要目前，在電子測(cè)量和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。虛擬儀器是一種功能意義上的測(cè)量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合，從而實(shí)現(xiàn)各種傳統(tǒng)儀器的功能。LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器編程語言，它具有功能強(qiáng)大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文介紹了IIR、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，以及LabVIEW的功能特點(diǎn)，并給出了基于LabVIEW的多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)有五個(gè)模塊組成：?jiǎn)?dòng)模塊、登陸模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、濾波模塊和顯示模塊。啟動(dòng)模塊顯示動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過程；登陸模塊用來設(shè)置用戶權(quán)限，只有當(dāng)用戶名和密碼

2、正確且匹配后，可進(jìn)入系統(tǒng)；信號(hào)發(fā)生模塊生成含有噪聲的模擬信號(hào)，信號(hào)的頻率、幅值、相位和噪聲幅值以及采樣信息都可調(diào)；濾波模塊由IIR和FIR數(shù)字濾波器組成，通過設(shè)置前面板的濾波器參數(shù)來滿足濾波效果；顯示模塊，該模塊用來對(duì)濾波前后信號(hào)的波形、信號(hào)的頻譜以及濾波器的頻率特性進(jìn)行分析比較。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，界面友好，顯示直觀，響應(yīng)速度快，精度高，有很好的濾波效果。關(guān)鍵字： 虛擬儀器，LabVIEW，數(shù)字濾波器，F(xiàn)IR，IIR目 錄第1章 緒論11.1 研究背景和意義11.2 研究?jī)?nèi)容和目的2第2章 數(shù)字濾波器32.1 濾波概念32.2 濾波器分類32.3 數(shù)字濾波器的原理及分類42.4

3、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟62.5 數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)72.6 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法82.6.1 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器92.6.2 雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器112.6.3 數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)122.7 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)122.7.1 FIR數(shù)字濾波器的特征132.7.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)法142.7.2 常用窗函數(shù)介紹162.7.3 頻率采樣法和切比雪夫逼近法介紹182.8 IIR和FIR數(shù)字濾波器比較18第3章 虛擬儀器203.1 虛擬儀器基礎(chǔ)203.1.1 虛擬儀器概述203.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成203.2 LabVIEW的概述213.2.1 LabVIE

4、W的構(gòu)成213.2.2 LabVIEW的操作選板243.2.3 LabVIEW的特點(diǎn)263.3 LabVIEW的運(yùn)行與調(diào)試263.3.1 VI運(yùn)行263.3.1 VI調(diào)試263.4 LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法30第4章 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)324.1 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)324.2 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)324.2.1 啟動(dòng)模塊324.2.2 登陸模塊344.2.3 信號(hào)發(fā)生模塊354.2.4 濾波模塊374.2.5 顯示模塊38第5章 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的仿真分析405.1 系統(tǒng)仿真流程405.2 啟動(dòng)界面的仿真分析415.3 登陸界面仿真分析415.4

5、 信號(hào)濾波去噪仿真分析435.4.1 相同階數(shù)不同逼近準(zhǔn)則的IIR濾波器仿真分析435.4.2 同逼近準(zhǔn)則不同階數(shù)的IIR濾波器仿真分析495.4.3 窗函數(shù)法FIR濾波器仿真分析505.4.4 IIR和FIR對(duì)混頻信號(hào)濾波仿真分析比較52第6章 總結(jié)58參考文獻(xiàn)59附 錄60致 謝62III第1章 緒論1.1 研究背景和意義在信號(hào)處理過程中，所處理的信號(hào)往往混有噪聲，從接收到的信號(hào)中消除或減弱噪音信號(hào)是信號(hào)處理和傳輸中，十分重要的問題。根據(jù)有用信和噪聲的不同特性，提取有用信號(hào)的過程，稱為濾波，實(shí)現(xiàn)濾波的系統(tǒng)稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器的應(yīng)用極為廣泛。數(shù)字濾波是語音、

6、圖像處理、模式識(shí)別和譜分析等應(yīng)用中一個(gè)基本處理部件，它可以滿足濾波器對(duì)幅度和相位的嚴(yán)格要求，避免模擬濾波器無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。1.2 研究?jī)?nèi)容和目的本設(shè)計(jì)是基于LabVIEW的多功能濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們平時(shí)所要設(shè)的數(shù)字濾波器，階數(shù)和類型并不一定是完全給定的，很多時(shí)候都是要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷的調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。在這種情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，單純的靠公式計(jì)算很難在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。這次利用LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器則不需要再靠公式計(jì)算，只需通過對(duì)前面板的輸入控件的參數(shù)設(shè)置（IIR、FIR濾波參數(shù)）就可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的濾波器了。另外系統(tǒng)開始前

7、我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過程的啟動(dòng)界面，為了保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和使用主權(quán)，我還可以設(shè)計(jì)一個(gè)登陸界面，老用戶直接輸入用戶名和密碼，新用戶需注冊(cè)用戶名和密碼，只有當(dāng)用戶名和密碼正確匹配后才可進(jìn)入系統(tǒng)。通過研究本課題，我們可以了解現(xiàn)代儀器科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展前沿，了解LabVIEW編程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)LabVIEW的基本功能和使用方法，復(fù)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理的所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)，使其能模擬真實(shí)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，有一定使用權(quán)限的登陸界面，產(chǎn)生基本的帶有噪聲的模擬信號(hào)，并能使用戶通過在前面板調(diào)節(jié)按鈕，變換參數(shù)產(chǎn)生想要的濾波器，來對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，能顯示濾波前后

8、的信號(hào)、頻域分析的信號(hào)以及濾波器的頻率特性。第2章 數(shù)字濾波器2.1 濾波概念在對(duì)信號(hào)作分析與處理時(shí)，常常會(huì)遇到有用的信號(hào)疊加上無用的噪聲的問題。這些噪聲有的是與信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的，有的是傳輸過程中混入的。因此，從接受到的信號(hào)中，消除或減弱干擾噪聲，就成為信號(hào)傳輸與處理中十分重要的問題。濾波就是根據(jù)有用信號(hào)與噪聲或干擾的不同特性，從含有噪聲或干擾的信號(hào)中消除或減弱噪聲，提取有用信號(hào)的過程。濾波問題在信號(hào)傳輸與處理中無處不在，如：音響系統(tǒng)的音調(diào)控制、通信中的干擾消除等；實(shí)現(xiàn)濾波功能的系統(tǒng)稱為濾波器。它是一種具有一定傳輸特性的信號(hào)處理裝置,它利用所具有的特定傳輸特性實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)與噪聲信號(hào)的有效分離。從

9、系統(tǒng)的角度看，濾波器是在時(shí)域具有沖激響應(yīng)或脈沖響應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)的線性時(shí)不變系統(tǒng)。如果利用模擬系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理則構(gòu)成模擬濾波器，它是一個(gè)連續(xù)時(shí)不變系統(tǒng)；如果利用離散時(shí)間系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理則構(gòu)成數(shù)字濾波器。濾波的輸入輸出關(guān)系：連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)時(shí)域： 頻域： 從濾波的輸入輸出關(guān)系可知，它的原理就是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)或者，使有用信號(hào)不失真地通過，而且衰減或者消除無用信號(hào)的過程。2.2 濾波器分類濾波器按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可分以下幾種：（1）根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)不同分類，主要分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種形式。模擬濾波器是指它所處理的輸入信號(hào)，輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，而本身是一種線性時(shí)不變的模擬

10、系統(tǒng)。數(shù)字濾波器是指輸入、輸出信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的算法。（2）按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲；帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。（3）按元件分類，濾波器可分為：有源濾波器、無源濾波器。有源濾波器是指由放大器和無源器件R、L、C構(gòu)成的濾波電路。無源源濾波器是指由無源器件

11、R、L、C構(gòu)成的濾波電路。2.3 數(shù)字濾波器的原理及分類設(shè)是系統(tǒng)的輸入，是其離散時(shí)間傅里葉變換（DTFT）是系統(tǒng)的輸出，是其離散時(shí)間傅里葉變換（DTFT）則：圖2-1 數(shù)字濾波器原理圖由圖2-1可得LTI系統(tǒng)的輸出為：（2-1）由（2-1）看出輸入序列的頻譜經(jīng)過濾波器（其系統(tǒng)性能用表示）后變成，選取使輸出符合我們的要求，這就是數(shù)字濾波器的工作原理。數(shù)字濾波器可按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。 根據(jù)濾波器的適用對(duì)象不同，濾波器可以分成兩種。一種為經(jīng)典濾波器，它適用于輸入信號(hào)中有用分量與希望濾除的干擾分量占據(jù)不同的頻帶，從而可通過一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾除干擾分量波的目的。另一種是現(xiàn)代濾波器，它主要

12、利用隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在某種準(zhǔn)則下，最大限度地抑制干擾，同時(shí)最大限度地恢復(fù)信號(hào)，其主要代表有維納濾波器、卡爾曼濾波器、各種自適應(yīng)濾波器等最佳濾波器。 根據(jù)數(shù)字濾波器從信號(hào)流圖或單位脈沖響應(yīng)上可分為兩類：無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）。從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，F(xiàn)IR濾波器沒有反饋回路，而IIR有反饋回路。FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)的,（N-1）階FIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為:（2-2）IIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)是無限長(zhǎng)的，N階IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為（2-3）相應(yīng)地?cái)?shù)字濾波器的頻率響應(yīng)為,一般為復(fù)數(shù)，可表示為（2-4）式中，稱為幅頻特

13、性函數(shù)，稱為相頻特性函數(shù)。幅頻特性表示信號(hào)通過該濾波器后各頻率的衰減情況，而相頻特性反映信號(hào)通過該濾波器后各頻率在時(shí)間上的延遲情況。所以當(dāng)同一信號(hào)通過兩個(gè)頻率特性相同而相頻特性不一樣的濾波器時(shí)其輸出信號(hào)也不一樣。 根據(jù)濾波器功能不同，經(jīng)典濾波器可分為四類：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BSF）,他們的理想幅頻特性如圖2-2所示。理想幅頻特性是指濾波器幅頻特性的通帶部分和阻帶部分是突變的，沒有過渡帶。它們的單位脈沖響應(yīng)均是非因果且無限長(zhǎng)的，所以理想濾波器往往是不可能實(shí)現(xiàn)的，但這些理想濾波器可作為濾波器設(shè)計(jì)時(shí)逼近的準(zhǔn)則。另外，數(shù)字濾波器的幅頻特性是以

14、為周期，濾波器的低頻處于的整數(shù)倍附近，而高頻處于的奇數(shù)倍附近，這與模擬濾波器是有區(qū)別的。模擬濾波器的理想幅頻特性如圖2-3所示。圖2-2 數(shù)字低通、高通、帶通、帶阻濾波器的理想幅頻特性圖2-3 模擬低通、高通、帶通、帶阻濾波器的理想幅頻特性2.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)就是根據(jù)實(shí)際工程要求，確定數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)，然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)函數(shù)或單位脈沖響應(yīng)去逼近這一性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)為因果穩(wěn)定系統(tǒng)。基本設(shè)計(jì)步驟如下：按照實(shí)際工程的要求確定數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。用一個(gè)因果穩(wěn)定的線性時(shí)不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)或單位脈沖響應(yīng)去逼近性能指標(biāo)。 選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)函數(shù)；如級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型、卷積型、

15、頻率采樣型以及快速卷積(FFT)型等。利用軟件、硬件或軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。2.5 數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)一般對(duì)IIR數(shù)字濾波器而言，通常只用幅頻特性來描述設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)相頻特性一般不作要求。若在實(shí)際應(yīng)用中（如語音合成、波形傳輸、圖像信號(hào)處理等）對(duì)相頻特性有較高要求，可設(shè)計(jì)FIR濾波器。由于圖2-2所示的理想幅頻特性不可實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí)，必須設(shè)計(jì)一個(gè)因果可實(shí)現(xiàn)的濾波器去逼近圖所示的理想幅頻特性。實(shí)際中通帶和阻帶中都允許一定的誤差容限，通帶可以不是完全水平的，阻帶也可以不是絕對(duì)衰減到零的，且在通帶與阻帶之間還應(yīng)設(shè)置一定寬度的過渡帶7。下面以數(shù)字低通濾波器的幅頻特性為例介紹數(shù)字

16、濾波器的技術(shù)指標(biāo)：圖2-4 數(shù)字低通濾波器的幅頻特性圖2-4中邊界頻率和分別為通帶截止頻率和阻帶截止頻率，和分別為通帶波紋和阻帶波紋。從圖中可見，通帶頻率范圍為，通帶中要求；阻帶頻率范圍，阻帶中要求；在通帶和阻帶之間，稱為過渡帶。允許的幅度衰減值一般用dB數(shù)表示，通帶內(nèi)所允許的最大衰減和阻帶內(nèi)允許的最小衰減分別表示為 dB（2-5） dB（2-6）將化為1，上式則表示為dB（2-7）dB（2-8）故設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆绕椒胶瘮?shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)理想幅頻特性的逼近，即可完成對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)。當(dāng)幅頻特性下降到的=0.707時(shí)，其對(duì)應(yīng)的頻率為，稱為通帶截止頻率，此時(shí)=3dB。2.6 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法IIR

17、濾波器設(shè)計(jì)方法有間接法和直接法。間接法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的；IIR直接法是直接在頻域或者時(shí)域設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，它包括零極點(diǎn)位置累試法和借助計(jì)算輔助設(shè)計(jì)的最優(yōu)化算法。零極點(diǎn)累試法根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)在單位圓內(nèi)的極點(diǎn)處出現(xiàn)峰值、在零點(diǎn)處出現(xiàn)谷值的特點(diǎn)來設(shè)置其零、極點(diǎn)的位置，當(dāng)幅頻特性尚未達(dá)到要求時(shí)，通過累次實(shí)驗(yàn)的方法改變零、極點(diǎn)的位置，最終達(dá)到近似逼近性能指標(biāo)的目的。此方法能快速 對(duì)濾波器性能有一個(gè)粗略把握。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的最優(yōu)化算法是直接在時(shí)域或者頻域利用最優(yōu)化算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于要解聯(lián)立方程，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算機(jī)作輔助設(shè)計(jì)。目前，IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)常用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法?；驹O(shè)

18、計(jì)步驟如下：根據(jù)數(shù)字技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)頻率變換得到相應(yīng)的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，得到其系統(tǒng)函數(shù)。將按頻率變換成滿足技術(shù)指標(biāo)的數(shù)字濾波器。系統(tǒng)函數(shù)為的模擬濾波器，只有當(dāng)它的所有極點(diǎn)都位于s平面的左半平面，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。那么由模擬濾波器得到特性相近的數(shù)字濾波器，也即s平面轉(zhuǎn)化成z平面時(shí)模擬系統(tǒng)頻響與數(shù)字系統(tǒng)頻響之間的轉(zhuǎn)換應(yīng)滿足下列要求： s平面的虛軸j軸映射到z平面的單位圓上。這樣在兩個(gè)域中的兩個(gè)頻率變量之間將存在直接的映射關(guān)系，保證數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)能夠模仿模擬濾波器的頻率響應(yīng)。 s平面的左半平面必須映射到z平面的單位圓內(nèi)的內(nèi)部，保證將因果穩(wěn)定的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成因果穩(wěn)定的數(shù)字系統(tǒng)。

19、脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法是將系統(tǒng)函數(shù)從s平面轉(zhuǎn)換到z平面的常用方法，下面以數(shù)字低通濾波器為例來介紹這兩種設(shè)計(jì)方法。2.6.1 脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是讓數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)最佳地逼近模擬濾波器的單位脈沖響應(yīng)，即以模擬濾波器單位脈沖響應(yīng)的均勻樣本作為數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)域特性的最佳逼近。基本步驟如下：（1）為單階極點(diǎn)時(shí)，模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可表示為部分分式的形式為： （2-9）(2) 將模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)求拉普拉斯逆變換得：（2-10）(3) 對(duì)采樣，采樣間隔是T可得：（2-11）(4) 對(duì)取z變換，得到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為（2-12）

20、對(duì)比（2-9）和（2-12），的極點(diǎn)映射到z平面的極點(diǎn)為，系數(shù)不變。為了找到這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，需分析s平面與z平面之間的映射關(guān)系。設(shè)理想采樣信號(hào)為（2-13）對(duì)拉氏變換得：（2-14）由，可得（2-15）則s平面到z平面的映射關(guān)系為：（2-16）設(shè)，則： （2-17）由式（2-17）得 當(dāng)時(shí)，s平面的虛軸映射為z平面的單位圓上。 當(dāng)時(shí)，s平面左半平面映射為z平面單位圓內(nèi)部。 當(dāng)時(shí)，s平面右半平面映射為z平面單位圓外部。在區(qū)間(,)時(shí)，將在(,)之間變化。s平面上每一條寬為的橫帶，都重疊地映射到z平面的整個(gè)平面上，橫帶的左半部映射到單位圓內(nèi)，右半部分映射到單位圓外，軸映射到單位圓上。由以上分析可

21、知，脈沖響應(yīng)不變法的優(yōu)點(diǎn)是：頻率變換關(guān)系是線性的，即；數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)完全模仿模擬濾波器的單位脈沖響應(yīng)波形，時(shí)域特性逼近好。但是，有限的模擬濾波器不可能是理想帶限的，故最大缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生不同程度的頻譜混疊失真，其適合用于低通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)，不適合用于高通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。 2.6.2 雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器當(dāng)用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，因從s平面到z平面不是一一映射關(guān)系，會(huì)產(chǎn)生頻率混疊失真。為了克服頻率混疊失真，可采用雙線性變換法。雙線性變換法是將整個(gè)模擬頻率軸壓縮到之間,然后再利用變換到z平面。這樣s平面與z平面是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系, 消除了多值變換性, 也就消除了頻譜混

22、疊現(xiàn)象。s平面到z平面的變換可采用：（2-18）由上式可知當(dāng)從經(jīng)過0變化到時(shí)，則由經(jīng)過0變化到，由式（2-18）可得 （2-19）令 ，有：（2-20）再用從平面轉(zhuǎn)換到z平面上，得到：或（2-21）這種s平面與z平面間的單值映射關(guān)系稱為雙線性變換。用雙線性變換法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，在得到相應(yīng)的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)后，將上式代入，即可得到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)即： （2-22）將，代入式（3-21），得模擬頻率和數(shù)字頻率之間的映射關(guān)系為：（2-23）由以上分析知，雙線性變換法雖避免了混疊失真，卻帶來了非線性的頻率失真。在零頻附近，與之間的變換關(guān)系近似于線性，隨著的增加，表現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性。因此雙線性變

23、換法適合分段常數(shù)特性濾波器的設(shè)計(jì)。如低通、高通、帶通、帶阻等選頻濾波器。2.6.3 數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)當(dāng)實(shí)際工程中需要設(shè)計(jì)數(shù)字高通、帶通和帶阻濾波器時(shí)，通常用相應(yīng)的低通濾波器進(jìn)行“頻率變換”得到，常用方法為雙線性變換。例如數(shù)字高通濾波器的設(shè)計(jì)，基本步驟如下：（1）確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（2）將所需類型數(shù)字濾波器的邊界頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型模擬濾波器的邊界頻率，轉(zhuǎn)換公式為： （3）將相應(yīng)類型模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬低通濾波器技術(shù)指標(biāo)。（4）設(shè)計(jì)模擬低通濾波器。（5）通過頻率變換將模擬低通濾波器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型的過渡模擬濾波器。（6）采用雙線性變換法將相應(yīng)的過渡模擬濾波器轉(zhuǎn)

24、換成所需類型的數(shù)字濾波器。2.7 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)2.7.1 FIR數(shù)字濾波器的特征IIR濾波器的相位是非線性的，若需要線性相位，這時(shí)需用FIR濾波器。設(shè)FIR濾波器單位沖激響應(yīng)的長(zhǎng)度為N，系統(tǒng)函數(shù)為： （2-24）式中，為的N-1階多項(xiàng)式，它在z平面有N-1個(gè)零點(diǎn)，在原點(diǎn)z=0處有N-1重極點(diǎn)。故永遠(yuǎn)為穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)于長(zhǎng)度為N的，頻率響應(yīng)函數(shù)為： （2-25）式中，為幅度特性；為相位特性。其中，為的實(shí)函數(shù)，可能取負(fù)值，不同于總?cè)≌档?。線性相位是指是的線性函數(shù)，即 ，為常數(shù) （2-26）或者，可表示為， 是起始相位 （2-27）嚴(yán)格地說，此時(shí)不具線性相位，但都滿足群延時(shí)是一個(gè)常數(shù)，即：

25、（2-28）也稱這種情況為線性相位。滿足式（2-26）的是第一類線性相位，滿足式（2-27）的為第二類線性相位。第一類線性相位條件的是：是實(shí)序列且對(duì)偶對(duì)稱，即 （2-29）第二類線性相位條件的是：是實(shí)序列且對(duì)奇對(duì)稱，即 （2-30）FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法、切比雪夫等波紋逼近法等。2.7.1 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)法基本設(shè)計(jì)思想：從時(shí)域出發(fā)，設(shè)計(jì)逼近理想的。設(shè)希望逼近的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)為，其單位脈沖響應(yīng)為。 （2-31） （2-32）所求得的一般是無限長(zhǎng)的，且是非因果的。要想得到一個(gè)因果的有限長(zhǎng)的濾波器，最直接的方法是截?cái)啵蛘哒f用一個(gè)窗口函數(shù)對(duì)進(jìn)行加窗處理，即。所以選擇窗口函數(shù)的

26、形狀和長(zhǎng)度是窗口函數(shù)法的關(guān)鍵。下面以一個(gè)截止頻率為，延時(shí)常數(shù)為的理想數(shù)字低通濾波器為例說明設(shè)計(jì)過程。其理想的頻率響應(yīng)為：（2-33）單位脈沖響應(yīng)為： （2-34）由（2-34）式可知是一個(gè)以為中心偶對(duì)稱的無限長(zhǎng)、非因果序列。對(duì)做截?cái)嗵幚硗瑫r(shí)滿足線性相位約束條件，即使有對(duì)稱性，以此作為所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。由于從截取一段有限長(zhǎng)的，相當(dāng)于將與一個(gè)窗函數(shù)相乘，因此這種方法叫窗函數(shù)法。如果用矩形窗函數(shù)截取,則（2-35）由頻域卷積定理得: （2-36）其中,為為的傅里葉變換。即 （2-37）式中：，（2-38）若用表示理想低通濾波器的幅度特性，則式中 （2-39）可得 （2-40）式中

27、（2-41）由（2-41）式看出，截取后的濾波器幅度特性是理想濾波器幅度特性和矩形窗的幅度特性的卷積結(jié)果。卷積過程如圖2-5所示圖2-5 矩形窗對(duì)理想低通幅度特性的影響對(duì)理想濾波器加窗處理后，幅度特性從變化為 ，兩者的差別有兩點(diǎn)：(1)在理想頻率特性不連續(xù)點(diǎn)附近形成過渡帶，其寬度近似等于的主瓣寬度，精確值為。(2)通帶內(nèi)產(chǎn)生了波紋，最大峰值出現(xiàn)在處。阻帶內(nèi)產(chǎn)生了余振，最大的負(fù)峰在處。通帶與阻帶中波動(dòng)的情況與窗函數(shù)的幅度譜有關(guān)。 越大，的波動(dòng)愈快，通帶與阻帶內(nèi)波動(dòng)愈快，波動(dòng)的大小取決于旁瓣的大小。這些差距是對(duì)加矩形窗引起的，稱為吉布斯效應(yīng)。如果增加矩形窗口的寬度，可以減少窗的主瓣寬度，從而減小過

28、渡帶的寬度。但增大不能減少吉布斯效應(yīng)的影響。在主瓣附近很小，故式（2-38）可改寫為： （2-42）由（2-42）式知N增大時(shí)，主、旁瓣幅度同時(shí)加高，相對(duì)值不變，總是最大肩峰比高8.95%,最大負(fù)峰絕對(duì)值比零大8.95%。 不能改變主瓣和旁瓣幅度相對(duì)值，也就是不能增大阻帶衰減。若要減小吉布斯效應(yīng)，應(yīng)選擇合適的窗函數(shù)形狀，使其譜函數(shù)的主瓣包含更多的能量，相應(yīng)旁瓣幅度就變小了；旁瓣的減少可使通帶與阻帶波動(dòng)減少，從而加大阻帶的衰減。但這樣總是以加寬過渡帶為代價(jià)的。 綜上可知，合乎要求的窗函數(shù)應(yīng)該符合以下標(biāo)準(zhǔn)：窗譜主瓣盡可能窄，以獲取較陡的過渡帶；盡量減小窗譜的最大旁瓣的相對(duì)幅度；即能量集中于主瓣，使

29、肩峰和波紋減小，增大阻帶的衰減。2.7.2 常用窗函數(shù)介紹設(shè)實(shí)際濾波器的單位脈沖響應(yīng)為：其中，為窗函數(shù)。的頻譜函數(shù)為: （2-43）（1）矩形窗(Rectangle Window) （2-44）頻譜函數(shù)： （2-45）主瓣寬度為，第一旁瓣比主瓣低13dB。（2）三角形窗(Bartlett Window) （2-46）頻率響應(yīng)為： （2-47）它的主瓣寬度為，第一旁瓣比主瓣低25dB。（3）漢寧窗(Hanning)升余弦窗 （2-48）幅度函數(shù)： （2-49）漢寧窗幅度特性由三部分相加而成，使旁瓣相互抵消，能量更集中在主瓣，但主瓣寬度增加到，第一旁瓣比主瓣低31dB，阻帶衰減加大。（4） 漢明(

30、Hamming)窗，又稱改進(jìn)的升余弦窗 （2-50）其幅度函數(shù)為： （2-51）與漢寧窗的主瓣寬度相同為，99.6%的能量集中在主瓣，第一旁瓣比主瓣低41dB。（5）布萊克曼(Blankman)窗，又稱二階升余弦窗 （2-52）其幅度函數(shù)：（2-53）該幅度特性由五部分組成，五部分相加的結(jié)果使得旁瓣得到進(jìn)一步抵消，第一旁瓣比主瓣低57dB左右，阻帶衰減加大，而過渡帶加大到。2.7.3 頻率采樣法和切比雪夫逼近法介紹頻率采樣法：是直接從頻域出發(fā)，通過對(duì)期望濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)采樣得到采樣點(diǎn)，然后以此作為實(shí)際FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)的DFT，那么該FIR濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)在這些樣本點(diǎn)處必定與相同

31、；另外，是對(duì)在某種程度上的逼近，故必然存在誤差。設(shè)計(jì)出的濾波器與理想濾波器間在幅度特性的不連續(xù)點(diǎn)附近會(huì)由于吉布斯效應(yīng)而出現(xiàn)最大誤差。通過在間斷點(diǎn)處增加過渡點(diǎn)，可以改善波動(dòng)，提高阻帶衰減，但過渡帶相應(yīng)越寬。切比雪夫逼近法是一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，這種濾波器將理想頻率響應(yīng)和實(shí)際頻率響應(yīng)之間的加權(quán)逼近誤差均勻地分散到濾波器的整個(gè)通帶和阻帶，并且最小化最大誤差，這樣就可以利用相對(duì)較小的階數(shù)來滿足濾波器性能指標(biāo)的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)邊界頻率的精確控制，克服窗函數(shù)法和頻率采樣法在這方面的不足。2.8 IIR和FIR數(shù)字濾波器比較前面已經(jīng)介紹了IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，選擇哪一種濾波器取決于每種

32、類型濾波器的優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中的重要性。為了能在實(shí)際工作中恰當(dāng)?shù)剡x用合適的濾波器，現(xiàn)將兩種濾波器特點(diǎn)比較分析如下：(1) 選擇數(shù)字濾波器是必須考慮經(jīng)濟(jì)問題，通常將硬件的復(fù)雜性、芯片的面積或計(jì)算速度等作為衡量經(jīng)濟(jì)問題的因素。在相同的技術(shù)指標(biāo)要求下，由于IIR數(shù)字濾波器存在輸出對(duì)輸入的反饋，因此可以用較少的階數(shù)來滿足要求，所用的存儲(chǔ)單元少，運(yùn)算次數(shù)少，較為經(jīng)濟(jì)。例如，用頻率抽樣法設(shè)計(jì)一個(gè)阻帶衰減為20dB的FIR數(shù)字濾波器，要33階才能達(dá)到要求，而用雙線性變換法只需45階的切比雪夫IIR濾波器就可達(dá)到同樣的技術(shù)指標(biāo)。這就是說FIR濾波器的階數(shù)要高510倍左右。(2) 在很多情況下,FIR數(shù)字濾波器的線性

33、相位與它的高階數(shù)帶來的額外成本相比是非常值得的。對(duì)于IIR濾波器，選擇性越好，其相位的非線性越嚴(yán)重。如果要使IIR濾波器獲得線性相位，又滿足幅度濾波器的技術(shù)要求，必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，這同樣將大大增加濾波器的階數(shù)。就這一點(diǎn)來看，F(xiàn)IR濾波器優(yōu)于IIR濾波器。(3) FIR濾波器主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，因而無論是理論上還是實(shí)際的有限精度運(yùn)算中他都是穩(wěn)定的，有限精度運(yùn)算誤差也較小。IIR濾波器必須采用遞歸結(jié)構(gòu)，極點(diǎn)必須在z平面單位圓內(nèi)才能穩(wěn)定。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，運(yùn)算中的舍入處理有時(shí)會(huì)引起寄生振蕩。(4) 對(duì)于FIR濾波器，由于沖激響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因此可以用快速傅里葉變換算法，這樣運(yùn)算速度可以快得多。

34、IIR濾波器不能進(jìn)行這樣的運(yùn)算。(5) 從設(shè)計(jì)上看，IIR濾波器可以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)的現(xiàn)成的閉合公式、數(shù)據(jù)和表格，可以用完整的設(shè)計(jì)公式來設(shè)計(jì)各種選頻濾波器。一旦選定了已知的一種逼近方法(如巴特沃斯，切比雪夫等)，就可以直接把技術(shù)指標(biāo)帶入一組設(shè)計(jì)方程計(jì)算出濾波器的階次和系統(tǒng)函數(shù)的系數(shù)(或極點(diǎn)和零點(diǎn))。FIR濾波器則一般沒有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式。窗函數(shù)法只給出了窗函數(shù)的計(jì)算公式，但計(jì)算通帶和阻帶衰減仍無顯式表達(dá)式。一般FIR濾波器設(shè)計(jì)僅有計(jì)算機(jī)程序可資利用，因而要借助于計(jì)算機(jī)。(6) IIR濾波器主要是設(shè)計(jì)規(guī)格化、頻率特性為分段常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器。FIR濾波器則靈活很多，例如頻率抽

35、樣法可適應(yīng)各種幅度特性和相位特性的要求。因此FIR濾波器可設(shè)計(jì)出理想正交變換器、理想微分器、線性調(diào)頻器等各種網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)性很廣，且有很多FIR濾波器的計(jì)算機(jī)程序供使用。第3章 虛擬儀器3.1 虛擬儀器基礎(chǔ)3.1.1 虛擬儀器概述虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)的儀器及測(cè)量技術(shù)，就是在計(jì)算機(jī)上加載一些具有和實(shí)際獨(dú)立儀器類似外觀和性能的軟件或硬件，用戶操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像是在操縱一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)，硬件軟件化，充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”。有的資料上甚至直接將虛擬儀

36、器這種形式稱為“軟件即儀器” 10。與傳統(tǒng)測(cè)試儀器不同，虛擬儀器技術(shù)在包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求可以高效率地構(gòu)建起形形色色的測(cè)量系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限，可以將多種信號(hào)處理的方法方便地用于測(cè)量種，并且為自動(dòng)測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量創(chuàng)造條件。下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。表3-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器儀器功能由用戶定義儀器功能由廠商定義系統(tǒng)開放、靈活系統(tǒng)封閉、功能固定技術(shù)更新周期短(12年)技術(shù)更新周期長(zhǎng)(510年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格低，可重用性和可配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高與其它設(shè)備極易連接不易與其它設(shè)備連接3.1.2

37、虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器由儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩部分組成。（1）虛擬儀器硬件的作用是獲取測(cè)試對(duì)象的被測(cè)信號(hào)，由計(jì)算機(jī)和接口設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)是虛擬儀器硬件平臺(tái)的核心，一般為個(gè)人計(jì)算機(jī)或者工作站。接口設(shè)備是為計(jì)算機(jī)配置的電子測(cè)量?jī)x器硬件模塊，主要包括各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、ADC、DAC、數(shù)據(jù)采集器（DAQ）等。（2）虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境。虛擬儀器軟件包括接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件。接口軟件是為虛擬儀器驅(qū)動(dòng)層提供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放、靈活的虛擬儀器的基礎(chǔ)。它的功能是直接對(duì)儀器進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)讀/寫。儀器驅(qū)動(dòng)程序是完

38、成某一特定儀器的控制與通訊的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商將其以源碼的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序6。應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過提供只管，友好的操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通過數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號(hào)處理的各種功能函數(shù)，如頻域分析的功率譜估計(jì)、FFT、逆FFT和細(xì)化分析等；時(shí)域分析的的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、反卷運(yùn)算、均方根估計(jì)等。這些功能函數(shù)為用戶進(jìn)一步擴(kuò)展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。3.2 LabVIEW的概述3.2.1 Lab

39、VIEW的構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI）,包括前面板，程序框圖以及圖標(biāo)/連結(jié)器三部分5。(1)前面板前面板是圖形化用戶界面，是人機(jī)交互的窗口。包括用戶輸入和顯示輸出兩類控件，分別用于參數(shù)的設(shè)置和測(cè)量結(jié)果的數(shù)值、波形顯示等，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其它控制和顯示對(duì)象。圖3-1是一個(gè)簡(jiǎn)單的波形發(fā)生器VI的前面板，上面有5個(gè)控制對(duì)象，分別為信號(hào)類型的選擇，波形的頻率，幅值，相位以及停止。有一個(gè)顯示對(duì)象，顯示了所產(chǎn)生的波形。在前面板后面還有一個(gè)與之配套的流程圖。圖3-1 波形發(fā)生器的前面板（2）程序框圖程序框圖提供VI的圖形化源程序。在程序框圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義

40、在前面板上的輸入和輸出功能。程序框圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等5。圖3-2 波形發(fā)生器的流程圖圖3-2是圖3-1對(duì)應(yīng)的程序框圖。在圖中我們可以看到程序框圖中包含了與前面板上對(duì)應(yīng)的連線端子，還有一個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)?；竞瘮?shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的波形送到顯示控件，為了使它持續(xù)運(yùn)行下去，設(shè)置了一個(gè)While Loop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。（3）圖標(biāo)/連接器VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（SubVI）,被其它VI調(diào)用。當(dāng)一個(gè)VI的前面板和程序框圖設(shè)計(jì)好之后，如果想

41、把這個(gè)VI作為子VI被其它VI在程序框圖中調(diào)用，并與其它子VI在外觀上有所區(qū)別，這時(shí)就要?jiǎng)?chuàng)建圖標(biāo)和連接器。默認(rèn)情況下，每一個(gè)VI的圖標(biāo)都顯示在前面板和程序框圖的右上角，可以雙擊進(jìn)行操作。比如設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，輸入信號(hào)需模擬真實(shí)的信號(hào)，可用一個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器和均勻白噪聲疊加起來模擬一個(gè)真實(shí)信號(hào)，如圖3-3所示是信號(hào)發(fā)生模塊的前面板，把輸入信號(hào)模塊做成一個(gè)子VI供調(diào)用，子VI如圖3-4所示。圖3-3信號(hào)發(fā)生的前面板信號(hào)發(fā)生模塊有五個(gè)輸入控件，即信號(hào)類型、頻率、幅值、相位和采樣信息，一個(gè)輸出顯示器，即波形顯示。使用Wiring工具給前面板輸入控件和輸出顯示器指定連接器端子。如圖3-4右上角的彩色窗口表格

42、所示是指定好后的端子,后面是它對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。圖3-4信號(hào)發(fā)生的前面板給信號(hào)發(fā)生模塊前面板的控件和指示器指定端子之后，就可以在主VI中調(diào)用該VI。如圖3-4所示，它有五個(gè)輸入端子，一個(gè)輸出端子。3.2.2 LabVIEW的操作選板LabVIEW中的操作選板分為工具選板，控件選板和函數(shù)選板，LabVIEW程序的創(chuàng)建主要依靠這三個(gè)選板完成。這些選板集中反映了該軟件的功能與特征5。（1）編輯工具工具選板工具選板如圖3-5所示，利用工具選板可以創(chuàng)建、修改LabVIEW中的對(duì)象，并對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。如果該選板沒有出現(xiàn)，則可以在“查看”菜單下選擇“工具選板”以顯示該選板。當(dāng)從選板內(nèi)選擇了任意一種工具后，鼠標(biāo)箭頭

43、就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。圖3-5 LabVIEW工具選板（2）前面板設(shè)計(jì)工具控件選板控件選板中包括了用來創(chuàng)建前面板對(duì)象的各種控制量和顯示量，是用戶設(shè)計(jì)前面板的工具，LabVIEW中的控件選板如圖3-6所示。可選擇“查看”“控件選板”使其顯示出來，也可單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出臨時(shí)控件選板。在控件選板中，按照所屬類別，各種控制量和顯示量被分門別類地安排在不同地子選板中，應(yīng)用這些子選板，用戶可以創(chuàng)建出界面美觀且功能強(qiáng)大地VI前面板。圖3-6 LabVIEW控件選板（3）框圖程序設(shè)計(jì)工具函數(shù)選板 函數(shù)選板在程序框圖中顯示，在打開程序框圖后才能調(diào)用函數(shù)選板，它是創(chuàng)建流程圖程序的工具，如圖3-7所示。可選擇“

44、查看”“函數(shù)選板”使其顯示出來，也可在程序框圖窗口的單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出臨時(shí)函數(shù)選板。函數(shù)選板中包含創(chuàng)建程序框圖所需的VI和函數(shù)。在函數(shù)選板中按VI和函數(shù)類型，將VI和函數(shù)歸入不同的自選板中。圖3-7 LabVIEW函數(shù)選板3.2.3 LabVIEW的特點(diǎn)LabVIEW是由美國國家儀器公司推出的一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入/輸出控制、信號(hào)生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取abVIEW與C、Visual Basic等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等。但

45、二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖象語言編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等，因此是一種直覺式圖形程序語言。用LabVIEW編程無需太多編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直覺的方法建立前面板界面和方塊圖程序，便可以完成編程過程，使用戶免于傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)的困擾，這對(duì)于沒有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程師們來說無疑是個(gè)極好的選擇。同時(shí)，LabVIEW的執(zhí)行順序是依方塊圖間數(shù)據(jù)的傳遞來決定的，并不像傳統(tǒng)文字式程序語言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計(jì)出可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序地流程圖。3.3 LabVIEW的運(yùn)行與調(diào)試3.3.1 VI運(yùn)行LabVIEW中，

46、用戶可以用兩種方式來運(yùn)行VI，即運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。（1）運(yùn)行 VI在工具欄單擊“運(yùn)行”按鈕“”，可運(yùn)行VI。運(yùn)行時(shí)，“運(yùn)行”按鈕變?yōu)椤啊?。使用這種方式運(yùn)行VI，VI只運(yùn)行一次。（2）連續(xù)運(yùn)行VI在工具欄單擊“連續(xù)運(yùn)行”按鈕“”，可連續(xù)運(yùn)行VI。連續(xù)運(yùn)行時(shí)，“連續(xù)運(yùn)行”按鈕變?yōu)椤啊?。再次單擊此按鈕可停止連續(xù)運(yùn)行。（3）停止運(yùn)行VIVI運(yùn)行時(shí)在工具欄單擊“終止執(zhí)行”按鈕“”，可強(qiáng)行終止VI。（4）暫停VI運(yùn)行在工具欄單擊“暫?！卑粹o“”，可暫停VI的運(yùn)行。3.3.1 VI調(diào)試LabVIEW編譯環(huán)境有多種調(diào)試手段，除了傳統(tǒng)編程語言的單步運(yùn)行、斷點(diǎn)和探針等調(diào)試手段，還可以高亮顯示執(zhí)行過程。如圖3-8所示

47、是LabVIEW的調(diào)試工具。圖3-8 LabVIEW程序框圖工具欄調(diào)試工具（1）單步運(yùn)行單步運(yùn)行VI不同傳統(tǒng)編程的單步運(yùn)行，它是在程序框圖中，按照節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，沿?cái)?shù)據(jù)連線逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行VI。單步執(zhí)行VI過程中，當(dāng)前執(zhí)行到的節(jié)點(diǎn)將閃爍表示此時(shí)執(zhí)行到該節(jié)點(diǎn)，如圖3-9所示。圖3-9單步執(zhí)行過程（2）高亮顯示執(zhí)行過程這種調(diào)試方式下，LabVIEW會(huì)在程序框圖實(shí)時(shí)地顯示程序執(zhí)行過程，同時(shí)實(shí)時(shí)地用連線上移動(dòng)的氣泡來顯示每一條數(shù)據(jù)連線和每一個(gè)端口的數(shù)據(jù)，如圖3-10所示。圖3-10高亮顯示執(zhí)行過程（3）使用探針探針用來查看即使數(shù)據(jù)，在需要查看的額數(shù)據(jù)線上單擊右鍵，添加探針后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)含探針編號(hào)的小方

48、框，并彈出一個(gè)探針監(jiān)視窗口，如圖3-11所示。VI運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視窗口顯示即使數(shù)據(jù)信息。圖3-11使用探針調(diào)試工具（4）設(shè)置斷點(diǎn)當(dāng)需要在VI的某個(gè)位置（如節(jié)點(diǎn)、連線）暫停執(zhí)行，這是需設(shè)置斷點(diǎn)。可使用工具選板的斷點(diǎn)工具，在程序框圖中想要設(shè)置或清除斷點(diǎn)的處單擊即可設(shè)置斷點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)上的斷點(diǎn)用紅框表示，連線上的斷點(diǎn)用紅點(diǎn)表示。如圖3-12所示。圖3-12設(shè)置斷點(diǎn)（4）查找錯(cuò)誤每種編程語言在編程過程中都會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，LabVIEW程序錯(cuò)誤有兩種，一種錯(cuò)誤為程序編輯錯(cuò)誤或結(jié)果不符合語法，這種錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致程序無法運(yùn)行，此時(shí)“運(yùn)行”按鈕“”變?yōu)椤啊?，單擊它可以顯示“錯(cuò)誤列表”，如圖3-13所示。修改錯(cuò)誤方法是先定位

49、錯(cuò)誤位置，然后再根據(jù)正確的語法修改錯(cuò)誤。常遇到的編輯和語法錯(cuò)誤有三種：框圖連線一段懸空或連線兩端數(shù)據(jù)類型不匹配造成的斷線。必須連接的函數(shù)端子沒有連線子VI不能執(zhí)行或在框圖中放置子VI后又編輯了該子VI的連線板。另一種錯(cuò)誤為語義和邏輯上的錯(cuò)誤，或程序運(yùn)行時(shí)某種外部條件得不到滿足引起的運(yùn)行錯(cuò)誤。這種錯(cuò)誤難以排除，必須由程序員對(duì)程序進(jìn)行充分測(cè)試并分析運(yùn)行結(jié)果來發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，也可借助調(diào)試工具來找出錯(cuò)誤位置和原因。圖3-13顯示錯(cuò)誤列表3.4 LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法LabVIEW的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件地面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)表示只有在所有輸入都有效時(shí)，一個(gè)對(duì)象

50、才開始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。這樣的話，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設(shè)計(jì)的線性順序，它可以不受其限制。用戶能夠通過連接功能模塊來快速開發(fā)自己地應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)同步操作6。與傳統(tǒng)的文本程序設(shè)計(jì)一樣，LabVIEW也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線性化程序設(shè)計(jì)中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在LabVIEW圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。LabVIEW有一個(gè)圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行它們相當(dāng)編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用

51、戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣。下面按步驟說明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)。 （1）建立方案：選用LabVIEW軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器，而不是編寫程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板接口。為了實(shí)現(xiàn)具體功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D組合在一起。 （2）建立前面板：從控制模塊上選擇你需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。當(dāng)你的虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作時(shí)利用前面板去控制整個(gè)系統(tǒng)，如移動(dòng)滑動(dòng)片、在圖象中變向、從鍵盤輸入等。 （3）構(gòu)建圖形化的流程圖：對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，你不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。從函數(shù)模板上選擇對(duì)象（用圖標(biāo)表示）

52、，并用線將它們連接起來以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。函數(shù)模板上的對(duì)象包括簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。 （4）數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)：LabVIEW用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶從文本式語言的線性化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來。因?yàn)樵贚abVIEW軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。 （5）模塊化和層次：LabVIEW虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。第4章 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)

53、設(shè)計(jì)4.1 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)基于LabVIEW的多功能數(shù)字濾波器的系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。圖4-1 數(shù)字濾波器系統(tǒng)框圖4.2 多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)多功能數(shù)字濾波器系統(tǒng)有五個(gè)模塊：?jiǎn)?dòng)模塊、登陸模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、濾波模塊以及顯示模塊。下面分別介紹各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。4.2.1 啟動(dòng)模塊啟動(dòng)模塊程序框圖如圖4-2所示，每當(dāng)While循環(huán)計(jì)數(shù)一次，滾動(dòng)條進(jìn)度增加10%，并通過格式化字寫入符串將滾進(jìn)度顯示出來，動(dòng)態(tài)文字?jǐn)?shù)組通過索引數(shù)組輸出不同的文字并顯示，每計(jì)數(shù)一次循環(huán)等待1s，也就是滾動(dòng)條以每秒10%的滾動(dòng)，然后繼續(xù)循環(huán)，循環(huán)共進(jìn)行10次。當(dāng)While循環(huán)結(jié)束后，通過V

54、I屬性節(jié)點(diǎn)關(guān)閉啟動(dòng)界面，通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)打開并運(yùn)行登陸界面。圖4-2 啟動(dòng)模塊的程序框圖如圖4-3所示是啟動(dòng)模塊的前面板，運(yùn)行后可看到數(shù)字滾動(dòng)條以每秒10%的速度滾動(dòng)，滾動(dòng)條上面顯示加載(Loading)的進(jìn)度（10%、20%100%）和動(dòng)態(tài)文字顯示，當(dāng)滾動(dòng)條滾動(dòng)到100%時(shí)，啟動(dòng)界面自動(dòng)關(guān)閉，并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到登陸界面。圖4-3 啟動(dòng)模塊的前面板4.2.2 登陸模塊登陸模塊的程序框圖如圖4-4所示，整體看由一個(gè)While循環(huán)和一個(gè)事件結(jié)構(gòu)（Event Structure）組成。事件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)子程序框圖或事件分支，結(jié)構(gòu)執(zhí)行時(shí)，僅有一個(gè)子程序框圖或分支在執(zhí)行。 本模塊的事件結(jié)構(gòu)有兩個(gè)分支，即“確定

55、”按鈕分支和“注冊(cè)”按鈕分支。圖4-4 登陸模塊的程序框圖“確定”按鈕分支用來判斷用戶名和密碼是否正確和匹配，如果用戶名和密碼不正確或不匹配，for循環(huán)將輸出“F”，則條件結(jié)構(gòu)（Case Structure）“假”執(zhí)行，提示用戶名或密碼錯(cuò)誤，清空用戶名和密碼，可重新輸入。如果用戶名和密碼正確，for循環(huán)將輸出“T”，則條件結(jié)構(gòu)“真”執(zhí)行，提示登錄成功，只有這種情況才能進(jìn)入后續(xù)模塊?！白?cè)”按鈕分支用來注冊(cè)用戶名和密碼，以供多個(gè)用戶使用。其程序框圖如圖4-5，內(nèi)有一個(gè)平鋪式順序結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)順序執(zhí)行的子程序框圖（也叫幀），一個(gè)是注冊(cè)用戶信息，主要是將用戶信息寫入ini文件，并將用戶信息保存，以此為標(biāo)準(zhǔn)，每次登錄時(shí)與“用戶信息.ini”文件中信息相對(duì)比，確定用戶名和密碼的正確性和匹配性。另一個(gè)是提示注冊(cè)成功，通過“單按鈕對(duì)話框”來實(shí)現(xiàn)。平鋪式順序結(jié)構(gòu)的幀是按照從左至右的順序執(zhí)行的。每幀執(zhí)行完畢后會(huì)將數(shù)據(jù)至傳遞至下一幀，也就是當(dāng)用戶輸入注冊(cè)信息后，才會(huì)提示“注冊(cè)成功”。注冊(cè)完成之