智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第3頁。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^仿真及實(shí)測(cè)訓(xùn)練，掌握數(shù)字濾波器的原理、特征參數(shù)、功能及其編程實(shí)現(xiàn)的方法。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第3頁。一、自主學(xué)習(xí)模塊—培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力（1）數(shù)字濾波器主要功能的三個(gè)方面是：消噪、提高信噪比、提高分辨率。（2）通帶、阻帶、過渡帶的定義為什么？根據(jù)上述三種頻帶及其在頻段中所處區(qū)間的不同，濾波器可分為哪四類？通帶：通帶邊緣頻率之間的部分，此頻率范圍的信號(hào)通過濾波器后獲得近似無失真輸出。阻帶：阻帶邊緣頻率之外的部分，此頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過濾波器后衰減最大。過渡帶：通帶與阻帶之間的部分。根據(jù)上述三種頻帶及其在頻段中所處區(qū)間的不同，濾波器可分為：高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。（3）欲將某一階環(huán)節(jié)的傳感器頻帶擴(kuò)展A倍，其傳遞函數(shù)為W(s)、頻率特性為W(jω)現(xiàn)欲將其頻帶擴(kuò)展A倍，即擴(kuò)展后的轉(zhuǎn)角頻率為也就是時(shí)間常數(shù)減小A倍，即如何通過附加一個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)來達(dá)到上述目的？寫出等效數(shù)字濾波器的差分方程式?？梢愿郊拥拇?lián)環(huán)節(jié)為，這樣最終系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，差分方程為：二、自主訓(xùn)練模塊—培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力練習(xí)一巴特沃斯濾波器演示儀的使用練習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過對(duì)巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的使用練習(xí)，學(xué)習(xí)在演示儀上通過“濾波器參數(shù)設(shè)置”，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器；（2）通過觀察“濾波效果演示圖”、“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”和“濾波器幅頻特性圖”以及濾波前后的信噪比和失真度，了解濾波器的特性與功能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解低通、高通、帶通、帶阻四種濾波器的濾波參數(shù)設(shè)置方法，觀察不同參數(shù)下四種濾波器的濾波效果，學(xué)會(huì)通過觀察“濾波效果演示圖”、“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”和“濾波器幅頻特性圖”選取最優(yōu)的濾波參數(shù)。（1）帶通濾波器：智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第4頁。1）帶通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖”。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第4頁。圖1帶通濾波器幅頻特性圖設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類型帶通、濾波器階次4、低截止頻率49Hz、高截止頻率51Hz，此帶通濾波器的幅頻特性如圖1所示，f1為低截止頻率、f2為高截止頻率。調(diào)整橫坐標(biāo)后，濾波器幅頻特性如圖2所示。圖2濾波器的幅頻特性記錄此時(shí)濾波器f1和f2，這里記錄的方法是：將橫向游標(biāo)放置在0.707處，然后分別將于縱向游標(biāo)放置在橫向游標(biāo)與濾波器曲線的交點(diǎn)，讀取兩次縱向游標(biāo)值，如圖3所示。圖3帶通濾波器的幅頻特性從圖3中可以讀出，此帶通濾波器的低截止頻率為49.05Hz，高截止頻率為51.02Hz。與設(shè)定值基本相同。2）不改變帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置”面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=2048、“采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度，其他參數(shù)按照表1所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表1干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置次數(shù)正弦干擾信號(hào)幅值（V）正弦干擾信號(hào)頻率（Hz）正弦干擾信號(hào)相位（度）白噪聲幅值（V）智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第5頁。1智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第5頁。0002225300325302427000保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖4帶通濾波器第一組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第6頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第6頁。圖5帶通濾波器第二組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第7頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第7頁。圖6帶通濾波器第三組結(jié)果圖7帶通濾波器第四組結(jié)果3）修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果：修改濾波器的參數(shù)為“高截止頻率(Hz)”=52Hz，設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=53Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0。在前面板中讀取此濾波器的截止頻率，如下圖所示：智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第8頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第8頁。圖8修改參數(shù)后帶通濾波器的幅頻特性可以看出，此濾波器的低截止頻率為48.98Hz，高截止頻率為52.04Hz，與設(shè)定值基本相同。保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖9修改參數(shù)后帶通濾波器的濾波效果4）比較濾波器參數(shù)修改前后的濾波效果，選取最優(yōu)濾波參數(shù)①比較濾波器參數(shù)修改前后的帶通“濾波器幅頻特性圖”，有何異同，并比較f1、f2。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第9頁。如圖3和圖8所示，修改參數(shù)前后，濾波器的低截止頻率基本保持不變，高截止頻率由原來的51.02Hz變?yōu)?2.04Hz。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第9頁。②比較濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=53Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)，比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”以及濾波前后的信噪比和失真度，思考何種濾波效果更優(yōu)？比較圖5和圖9：從濾波效果演示圖中，未看出參數(shù)修改前后的明顯變化。從定量指標(biāo)上看，修改參數(shù)前，濾波后信噪比由原來的0.0041變到8.5016；修改參數(shù)后濾波后信噪比由原來的0.0041變到1.6201。在失真度方面未看出二者有明顯的不同。從幅頻特性上看，修改參數(shù)前，濾波后的幅頻特性上只有有用信號(hào)的譜線；修改參數(shù)后，濾波后的幅頻特性上除了有用信號(hào)的頻率成分外還有殘余的干擾信號(hào)譜線。由以上對(duì)比可以看出，修改參數(shù)前的濾波效果更優(yōu)。（2）低通濾波器：1）低通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖”。圖10低通濾波器的幅頻特性低通濾波器的幅頻特性如上圖所示，f1為低截止頻率，設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類型低通、濾波器階次17、低截止頻率70Hz、高截止頻率無效。調(diào)整橫坐標(biāo)后，濾波器幅頻特性如下圖所示。圖11低通濾波器的幅頻特性按照與帶通濾波器相同的方法，讀取此低通濾波器的低截止頻率為70.20Hz，與設(shè)定值基本相同。2）不改變低通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置”面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=2048、“采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度，其他參數(shù)按照表2所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表2低通濾波器干擾信號(hào)設(shè)置次數(shù)正弦干擾信號(hào)幅值（V）正弦干擾信號(hào)頻率（Hz）正弦干擾信號(hào)相位（度）白噪聲幅值（V）智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第10頁。1智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第10頁。0002229000329002428000保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖12低通濾波器第一組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第11頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第11頁。圖13低通濾波器第二組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第12頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第12頁。圖14低通濾波器第三組結(jié)果圖15低通濾波器第四組結(jié)果3）修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果：修改濾波器的參數(shù)為“濾波器階次”=4，設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=90Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0。觀察低通“濾波器幅頻特性圖”，并記錄此濾波器的f1。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第13頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第13頁。圖16修改參數(shù)后低通濾波器的幅頻特性如圖所示，此低通濾波器的低截止頻率為70.20，與設(shè)定值基本相同。保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖17修改參數(shù)后低通濾波器的濾波效果4)、比較濾波器參數(shù)修改前后的濾波效果，選取最優(yōu)濾波參數(shù)①比較濾波器參數(shù)修改前后的低通“濾波器幅頻特性圖”，有何異同，并比較f1。如圖11和圖16所示，修改參數(shù)前后低通濾波器的低截止頻率并沒有改變，均為70.20Hz。但修改參數(shù)前，使信號(hào)不失真的頻帶范圍更寬。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第14頁。②比較濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=90Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)，比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何種濾波效果更優(yōu)？智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第14頁。對(duì)比圖13和圖17：從濾波前后的效果圖中可以看出，修改參數(shù)后，濾波后的波形有較嚴(yán)重的失真。從定量指標(biāo)上看，修改參數(shù)前后未有較明顯的變化。從頻譜上看，修改參數(shù)前，濾波后的頻譜中只有有用信號(hào)的頻率分量；修改參數(shù)后，濾波后的頻譜中除了含有用信號(hào)的頻率成分外，還有較明顯的干擾信號(hào)成分。綜上所述，修改參數(shù)前的濾波效果要好。3．高通濾波器：（1）高通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖”。圖18高通濾波器幅頻特性圖高通濾波器的幅頻特性如上圖所示，f1為低截止頻率，設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類型高通、濾波器階次4、低截止頻率30Hz、高截止頻率無效。調(diào)整橫坐標(biāo)后，濾波器幅頻特性如下圖所示。圖19高通濾波器幅頻特性如圖19所示，此高通濾波器低截止頻率為29.59Hz,與設(shè)定值基本相同。（2）不改變高通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置”面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=2048、“采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度，其他參數(shù)按照表3所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表3高通濾波器干擾信號(hào)設(shè)置次數(shù)正弦干擾信號(hào)幅值（V）正弦干擾信號(hào)頻率（Hz）正弦干擾信號(hào)相位（度）白噪聲幅值（V）10002221000321002智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第15頁。4智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第15頁。22000保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖20高通濾波器第一組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第16頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第16頁。圖21高通濾波器第二組結(jié)果圖22高通濾波器第三組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第17頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第17頁。圖23高通濾波器第四組結(jié)果（3）修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果：修改濾波器的參數(shù)為“低截止頻率”＝15Hz，設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=10Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0。在前面板中讀取此高通濾波器的低截止頻率，如下圖所示：圖24修改參數(shù)后高通濾波器的幅頻特性從圖中可以看出，此濾波器的低截止頻率為14.97Hz，與設(shè)定值基本相同。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第18頁。保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第18頁。圖25修改參數(shù)后高通濾波器的濾波效果（4）比較濾波器參數(shù)修改前后的濾波效果，選取最優(yōu)濾波參數(shù)①比較濾波器參數(shù)修改前后的高通“濾波器幅頻特性圖”，有何異同，并比較f1。如圖19和圖24所示，修改參數(shù)前后，高通濾波器的低截止頻率由29.59Hz變到14.97Hz。②比較濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=10Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)，比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何種濾波效果更優(yōu)？對(duì)比圖21和圖25：從濾波效果圖中可以看出，修改參數(shù)后，濾波后的波形與有用信號(hào)的波形有較明顯不同。從定量指標(biāo)上看，參數(shù)修改前后無明顯差別。從幅頻特性上看，修改參數(shù)前，頻譜中只有有用信號(hào)的頻率成分；修改參數(shù)后，頻譜中含有用信號(hào)分量和干擾信號(hào)分量。綜上所述，修改參數(shù)前的濾波效果更好。4、帶阻濾波器：(1)帶阻濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖”。帶阻濾波器的幅頻特性如下圖所示，f1為低截止頻率、f2為高截止頻率。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第19頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第19頁。圖26帶阻濾波器的幅頻特性圖設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類型帶阻、濾波器階次4、低截止頻率29Hz、高截止頻率31Hz。調(diào)整橫坐標(biāo)后，讀取濾波器截止頻率如下圖所示。圖27帶阻濾波器的幅頻特性從圖中可以讀出，此帶通濾波器的低截止頻率為28.91Hz，高截止頻率為31.02Hz，與設(shè)定值基本相同。（2）不改變帶阻濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置”面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=2048、“采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度，其他參數(shù)按照表4所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表4帶阻濾波器干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置次數(shù)正弦干擾信號(hào)幅值（V）正弦干擾信號(hào)頻率（Hz）正弦干擾信號(hào)相位（度）白噪聲幅值（V）10002223000323002423100保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第20頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第20頁。圖28帶阻濾波器第一組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第21頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第21頁。圖29帶阻濾波器第二組結(jié)果圖30帶阻濾波器第三組結(jié)果智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第22頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第22頁。圖31帶阻濾波器第四組結(jié)果（3）修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果：修改濾波器的參數(shù)為“濾波器階數(shù)”=10，設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0。在前面板中讀取此帶阻濾波器的低截止頻率和高截止頻率，如下圖所示：圖32修改參數(shù)后帶阻濾波器的幅頻特性智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第23頁。從圖中可以看出次帶通濾波器的低截止頻率為28.88Hz，高截止頻率為31.02Hz，與設(shè)定值基本相同。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第23頁。保存濾波效果演示圖、濾波前后的幅頻特性、濾波前后的信噪比和失真度。圖33修改參數(shù)后帶阻濾波器的濾波效果（4）比較濾波器參數(shù)修改前后的濾波效果，選取最優(yōu)濾波參數(shù)①比較濾波器參數(shù)修改前后的帶阻“濾波器幅頻特性圖”，有何異同，并比較f1、f2。如圖27和圖32所示，參數(shù)修改前后濾波器的高低截止頻率未發(fā)生變化，但修改參數(shù)后，濾波器阻帶的邊沿更陡峭。②比較濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)，比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何種濾波效果更優(yōu)？對(duì)比圖29和圖33：修改參數(shù)前后，兩者在濾波效果圖和頻譜中均未呈現(xiàn)明顯差別。在定量指標(biāo)方面，修改參數(shù)前，信噪比由-0.0011變到13.6127；修改參數(shù)后信噪比由原來的-0.0011變到7.7081。綜上所述，修改參數(shù)前的濾波效果更好。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第24頁。5．對(duì)比與思考：(注意，對(duì)比的兩幅圖的“頻譜顯示模式”應(yīng)該一致)智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第24頁。（1）比較濾波器參數(shù)不同時(shí)的自身特性，找出不同之處，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)中保存的數(shù)據(jù)以及特性圖，總結(jié)結(jié)論，為每個(gè)類型的濾波器選擇最佳參數(shù)。通過以上的對(duì)比，對(duì)于給定的干擾信號(hào)，將每個(gè)類型的濾波器最優(yōu)參數(shù)總結(jié)如下：①帶通濾波器（有用信號(hào)頻率50Hz）低截止頻率49Hz，高截止頻率51Hz，濾波器階數(shù)4。②低通濾波器（有用信號(hào)頻率50Hz）低截止頻率70Hz，濾波器階數(shù)17。③高通濾波器（有用信號(hào)頻率50Hz）低截止頻率30Hz，濾波器階數(shù)4。④帶阻濾波器（有用信號(hào)頻率30Hz）低截止頻率29Hz，高截止頻率31Hz，濾波器階數(shù)4。（2）比較濾波器之間的不同根據(jù)濾波器以上實(shí)驗(yàn)中保存的各個(gè)類型濾波器“濾波器特性圖”，比較帶通濾波器與帶阻濾波器、低通濾波器與高通濾波器的異同。四種濾波器的不同體現(xiàn)在：通帶、阻帶、過渡帶的位置不一樣，簡(jiǎn)單敘述如下：帶通濾波器通帶在中央，阻帶在兩側(cè)；帶阻濾波器通帶在兩側(cè)，阻帶在中央；低通濾波器通帶在左側(cè)，阻帶在右側(cè)；高通濾波器通帶在右側(cè)，阻帶在左側(cè)。（3）四個(gè)濾波器在對(duì)加有2V，正弦干擾信號(hào)的濾波效果有何不同①帶通濾波器與帶阻濾波器a．設(shè)置被測(cè)信號(hào)“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)b．帶通濾波器設(shè)置濾波器參數(shù)：濾波器類型帶通、濾波器階次4、低截止頻率49Hz、高截止頻率51Hz，調(diào)整橫坐標(biāo)后保存“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”，記錄消噪前后的信噪比和失真度。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第25頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第25頁。圖34帶通濾波器效果c．帶阻濾波器設(shè)置濾波器參數(shù)：濾波器類型帶阻、濾波器階次4、低截止頻率29Hz、高截止頻率31Hz，調(diào)整橫坐標(biāo)后保存“濾波效果演示圖”，以及“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”，記錄消噪前后的信噪比和失真度。如圖29所示。d.比較帶通濾波器和帶阻濾波器的濾波效果比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”，以及消噪前后的信噪比和失真度。比較圖29和圖34：從濾波效果圖上看，二者濾波后的波形與有用信號(hào)的波形均相同；從幅頻特性上看，二者的頻譜中均只有有用信號(hào)譜線；從定量指標(biāo)上看，二者的失真度指標(biāo)相差不大，信噪比方面，信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器后信噪比由-0.0011變?yōu)?.4508，信號(hào)經(jīng)過帶阻濾波器后信噪比由-0.0011變?yōu)?3.612。從以上對(duì)比可以看出，二者均能達(dá)到較好的濾波效果，帶阻濾波器性能更好一些。②低通濾波器與高通濾波器a．設(shè)置被測(cè)信號(hào)“有用信號(hào)幅值”＝2V、“有用信號(hào)頻率”＝50Hz、“有用信號(hào)相位”＝0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=90Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”＝0、“白噪聲幅值”＝0時(shí)b．低通濾波器設(shè)置濾波器參數(shù)：濾波器類型低通、濾波器階次4、低截止頻率70Hz、高截止頻率無效，調(diào)整橫坐標(biāo)后保存“濾波效果演示圖”，以及“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”，記錄消噪前后的信噪比和失真度。如圖17所示。c．高通濾波器修改“正弦干擾信號(hào)頻率”=10Hz設(shè)置濾波器參數(shù)：濾波器類型高通、濾波器階次4、低截止頻率30Hz、高截止頻率無效，調(diào)整橫坐標(biāo)后保存“濾波效果演示圖”，以及“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”，記錄消噪前后的信噪比和失真度。如圖21所示。d.比較高通濾波器和低通濾波器的濾波效果比較“濾波效果演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”以及消噪前后的信噪比和失真度。比較圖17和圖21：智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第26頁。從濾波效果顯示圖上看，低通濾波器濾波后的波形存在明顯失真，高通濾波器濾波后的波形與有用信號(hào)的波形相同。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第26頁。從幅頻特性圖上看，低通濾波器濾波后的信號(hào)頻譜存在兩個(gè)頻率成分，而高通濾波器濾波后的頻譜只有有用信號(hào)的頻率成分。從量化指標(biāo)上看不出明顯區(qū)別。綜上所述，高通濾波器的濾波效果好。練習(xí)二USB-6211數(shù)據(jù)采集卡的使用與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．學(xué)會(huì)使用USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換2．學(xué)會(huì)用LabWindows/CVI或者LabVIEW驅(qū)動(dòng)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)會(huì)使用USB-6211數(shù)據(jù)采集卡NIUSB-6211是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度，16位A/D轉(zhuǎn)換。該模塊提供了16路模擬輸入；250kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出；8路數(shù)字輸入線；8路數(shù)字輸出線；每通道有4個(gè)可編程輸入范圍(±0.2V-±10V)；數(shù)字觸發(fā)；2個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。輸入模擬信號(hào)：選擇一個(gè)模擬輸入通道和一個(gè)模擬地通道，分別接模擬信號(hào)和地。三、自主應(yīng)用模塊-培養(yǎng)解決問題的能力課題一：根據(jù)幅頻特性要求的典型低通、高通、帶通、帶阻濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬巴特沃斯濾波器面板要求：可以設(shè)置濾波器參數(shù)，包括采樣頻率(Hz)、采樣點(diǎn)數(shù)、濾波器類型、濾波器階次、低截止頻率(Hz)、高截止頻率(Hz)，顯示濾波前后的波形。設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，可以用此濾波器來對(duì)實(shí)際的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，并且可以將濾波后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡的D/A通道輸出。設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊如下圖所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1．預(yù)習(xí)“現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)集成”第8.1節(jié)，詳細(xì)閱讀[示例8-1]2．在LabVIEW或者LabWindows/CVI軟件平臺(tái)上，設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬巴特沃斯濾波器，滿足面板要求。根據(jù)要求設(shè)計(jì)的巴特沃斯數(shù)字濾波器如下圖所示。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第27頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第27頁。圖35巴特沃斯數(shù)字濾波器前面板圖36巴特沃斯數(shù)字濾波器程序框圖此程序中子模塊如下：AB圖37巴特沃斯模塊智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第28頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第28頁。圖38頻譜分析模塊設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，要求模擬信號(hào)輸入通道號(hào)可選。圖39A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，要求模擬信號(hào)輸出通道號(hào)可選。圖40D/A轉(zhuǎn)換模塊使用信號(hào)發(fā)生器以及示波器檢驗(yàn)此數(shù)字濾波器的功能。（注：這一部分在實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的面板未經(jīng)過美化，所以和上一部分展示的面板有些差別）(1)使用SUINGTFG2006DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為2V、占空比為50％的方波，輸入數(shù)據(jù)采集卡的A/D0通道。(2)使用你所設(shè)計(jì)的虛擬巴特沃斯濾波器，調(diào)整模擬信號(hào)輸入通道號(hào)為0，調(diào)整模擬信號(hào)輸出通道號(hào)為0。調(diào)整濾波器的參數(shù)，觀察濾波前后的波形。濾波前的信號(hào)是否與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)相同。(3)使用TektronixTDS2002信號(hào)示波器，檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡D/A0通道的輸出信號(hào)，是否與濾波器所顯示的濾波后的波形相同。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第29頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第29頁。圖41巴特沃斯濾波器的濾波效果圖42示波器上顯示的巴特沃斯濾波器濾波后的波形如圖41所示，方波信號(hào)頻率為10Hz，幅值為3V，帶通濾波器的低截止頻率為9Hz，高截止頻率為11Hz，濾波后獲得了頻率為10Hz的正弦波，幅值接近4V，與理論結(jié)果相同，如圖42所示，示波器上的波形與濾波器顯示的波形相同。課題二：根據(jù)傳遞函數(shù)要求的廣義濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．根據(jù)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)一階低通濾波器。面板要求：輸入控制類控件：調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)的系數(shù)p，q。輸出顯示類控件：濾波前后的波形，濾波前后的時(shí)間常數(shù)，濾波后的信噪比。設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，可以用此濾波器來對(duì)實(shí)際的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，并且可以將濾波后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡的D/A通道輸出。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：復(fù)習(xí)教材第8.1.3節(jié)IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介中的后向差分法。根據(jù)傳遞函數(shù)，寫出數(shù)字濾波器差分方程。數(shù)字濾波器的差分方程為：。在LabVIEW或者LabWindows/CVI軟件平臺(tái)上，根據(jù)差分方程，設(shè)計(jì)一階低通濾波器，滿足面板要求。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第30頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第30頁。圖43廣義一階數(shù)字濾波器前面板圖44廣義數(shù)字濾波器程序框圖設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，要求模擬信號(hào)輸入通道號(hào)可選。此處模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與巴特沃斯數(shù)字濾波器處相同。設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，要求模擬信號(hào)輸出通道號(hào)可選。此處數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與巴特沃斯數(shù)字濾波器處相同。使用信號(hào)發(fā)生器以及示波器檢驗(yàn)此數(shù)字濾波器的功能。（注：這一部分實(shí)驗(yàn)時(shí)，面板未經(jīng)過美化，所以和上一部分展示的面板有些差別）(1)使用SUINGTFG2006DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為10Hz、幅值為2V、占空比為50％的方波，輸入數(shù)據(jù)采集卡的A/D0通道。(2)使用你所設(shè)計(jì)的一階低通濾波器，調(diào)整模擬信號(hào)輸入通道號(hào)為0，調(diào)整模擬信號(hào)輸出通道號(hào)為0。調(diào)整濾波器的參數(shù)，觀察濾波前后的波形。濾波前的信號(hào)是否與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)相同。(3)使用TektronixTDS2002信號(hào)示波器，檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡D/A0通道的輸出信號(hào)，是否與濾波器所顯示的濾波后的波形相同。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第31頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第31頁。圖45廣義一階濾波器的濾波效果圖46示波器上顯示的廣義一階濾波器濾波后的波形此處采用的方波頻率為10Hz，幅值為3V，濾波器為一階低通濾波器，p=0.94,q=0.06,計(jì)算得截止頻率f為10Hz，從濾波后的波形中可以看出，此濾波器未能成功分離出頻率為10Hz的正弦信號(hào)?？梢詮臑V波器幅頻特性上看出，在10的倍頻處，濾波器的幅值并沒有衰減到0，所以，并不能消除其他的頻率分量，這是由濾波器的階數(shù)決定的。（注：圖45沒有在運(yùn)行時(shí)截圖，這里q值有所改動(dòng)，波形圖和其他參數(shù)為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的形式）課題三：數(shù)字濾波器的功能檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)?zāi)闼O(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的功能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：檢驗(yàn)數(shù)字濾波器功能原理框圖如下圖所示：圖47檢驗(yàn)數(shù)字濾波器功能原理圖連接被測(cè)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字濾波器、頻譜分析儀觀察數(shù)字濾波器的濾波效果，選取最優(yōu)參數(shù)（1）虛擬巴特沃斯濾波器（注：這一部分實(shí)驗(yàn)時(shí)，濾波器面板進(jìn)行了部分美化，所以和之前展示的面板有些差別）①設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=53Hz、“正弦干擾信號(hào)相位0度“白噪聲幅值”=1V。②選擇合適的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率③將濾波器類型設(shè)為帶通，選擇最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行濾波。并記錄濾波器參數(shù)和濾波后波形的頻譜特性圖。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第32頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第32頁。圖48被測(cè)信號(hào)發(fā)生器圖49巴特沃斯濾波器的濾波效果2圖50頻譜分析如圖49所示，此處選擇的帶通濾波器階數(shù)為2，低截止頻率為49Hz，高截止頻率為51Hz，濾波后的波形中只有50Hz的頻率成分，濾波效果較好。（2）一階低通濾波器①設(shè)置被測(cè)信號(hào)：“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0度、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=10Hz、“正弦干擾信號(hào)相位0度“白噪聲幅值”=0V。②選擇合適的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率③調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)的系數(shù)p,q選擇最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行濾波。并記錄濾波器參數(shù)和濾波后波形的頻譜特性圖。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第33頁。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第33頁。圖51被測(cè)信號(hào)發(fā)生器2圖52廣義一階濾波器的濾波效果2圖53頻譜分析2如圖52所示，此廣義低通濾波器p=0.94，q=0.06，所以此濾波器的低截止頻率為10Hz，濾波后削弱了部分噪聲，但還有其他頻率成分。四、自主提高模塊—培養(yǎng)舉一反三、學(xué)以致用的能力實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪靡阎獮V波器的系數(shù)，編寫數(shù)字濾波器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.復(fù)習(xí)教材“智能傳感器系統(tǒng)”第5.3.1節(jié)數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——Z變換簡(jiǎn)介的數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)模型。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第34頁。2．學(xué)會(huì)使用LabWindows/CVI或者LabVIEW中的函數(shù)/圖標(biāo)，得到濾波器傳遞函數(shù)差分方程系數(shù)。智能傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告全文共36頁，當(dāng)前為第34頁。已知IIR無限沖激響應(yīng)濾波器系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)表達(dá)式的差分方程：稱系數(shù)ar為正向系數(shù)；稱系數(shù)bk為反向系數(shù)。當(dāng)ar、bk已知時(shí)，可以寫出濾波器系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)表達(dá)式的差分方程。練習(xí)獲得巴特沃斯濾波器的系數(shù)。圖54獲取巴特沃斯濾波器系數(shù)程序框圖這里采用的是低截止頻率為55Hz，階數(shù)為2的低通濾波器，獲得的濾波器系數(shù)如下圖所示。圖55巴特沃斯濾波器系數(shù)利用所得系數(shù)，構(gòu)造差分方程，編寫濾波器程序。編寫的程序?yàn)椋篶lcclearA1=2;A2=1;f1=50;a1=0;w1=2*pi*f1;t=0:0.001:0.1;X1=A1*sin(w1*t+a1);%產(chǎn)生幅值為2v，頻率為50赫茲的正弦波X2=A2*rand(1,length(t));X3=-A2*rand(1,length(