数字滤波系统设计

1、大庆师范学院计算机控制技术课程设计报告设计课题数字滤波系统设计姓名孙长伟 宫庭 匡博 卢炜学院物理与电气信息学院专业自动化班级二班学号3 7 2 8日期2012-9-18指导教师杨桂花目 录1设计任务及要求11.1 设计任务11.2 设计要求12 设计原理12.1 数字滤波技术12.2 常用的数字滤波方法22.2.1 算术平均滤波法22.2.2 加权平均值滤波32.2.3 中位值滤波法42.2.4 滑动平均值滤波42.2.5 防脉冲干扰平均值滤波42.2.6 低通滤波52.2.7 限幅滤波53 设计方案54 结果分析65 心得体会8参考文献9课程设计任务书学生姓名： 刘炽 专业班级： 自动化1

2、102班 指导教师： 陈静 教授 工作单位： 自动化学院 题 目: 数字滤波系统设计 要求完成的主要任务: 1用计算机模拟带有干扰的正弦信号R（频率100Hz）。首先计算机产生一个随机信号，再与正弦信号叠加。2计算机对含有干扰的正弦信号进行数字滤波处理，保留正弦信号，去除干扰。3输入为模拟电压，输入模拟电压范围为0+5V，最后滤波的结果用LED显示器显示。 1）分析数字滤波的常用方法，以及各自的优缺点； 2）加权平均值滤波器，设计算法程序； 3）通过数据分析采样周期T对滤波效果的影响； 4）撰写设计说明书。时间安排：6月9日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计6月27日6月28日完成硬件设

3、计6月29日6月30日编写调试程序7月1日6月20日撰写课程设计说明书 7月5日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日数字滤波系统设计1设计任务及要求1.1 设计任务(1)用计算机模拟带有干扰的正弦信号R（频率100Hz）。首先计算机产生一个随机信号，再与正弦信号叠加。(2)计算机对含有干扰的正弦信号进行数字滤波处理，保留正弦信号，去除干扰。(3)输入为模拟电压，输入模拟电压范围为0+5V，最后滤波的结果用LED显示器显示。1.2 设计要求 1）分析数字滤波的常用方法，以及各自的优缺点； 2）加权平均值滤波器，设计算法程序； 3）通过

4、数据分析采样周期T对滤波效果的影响； 4）撰写设计说明书。2 设计原理2.1 数字滤波技术 在微机控制系统的模拟输入信号中，一般均含有各种噪声和干扰，他们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。非周期的不规则随机信号，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此他实际上是一个程序滤波。数字滤波器与模拟滤波器相比有以下优点：(1) 数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬设备，因而可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。(2) 模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器则可多通

5、道共享，从而降低了成本。(3) 数字滤波器可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。(4) 数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。设数字滤波器的输入为X(n)，输出为Y(n)，则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式表示为： (1) 其中：输入信号X(n)可以是模拟信号经采样和A/D变换后得到的数字序列，也可以是计算机的输出信号。具有上述关系的数字滤波器的当前输出与现在的和过去的输入、过去的输出有关。由这

6、样的差分方程式组成的滤波器称为递归型数字滤波器。如果将上述差分方程式中bK取0，则可得： (2) 说明输出只和现在的输入和过去的输入有关。这种类型的滤波器称为非递归型数字滤波器。参数aK、bK的选择不同，可以实现低通、高通、带通、带阻等不同的数字滤波器。2.2 常用的数字滤波方法2.2.1 算术平均滤波法算术平均值滤波是要寻找一个Y，使该值与各采样值X(K)(K=1N)之间误差的平方和为最小，即： (3)由一元函数求极限原理可以得到： (4)这时，可满足上两式的便是算术平均值滤波的算法。设第二次测量的测量值包含信号成分Si和噪声成分Ci，则进行N次测量的信号成分之和为： (5)噪声的强度是用均

7、方根来衡量的，当噪声为随机信号时，进行N次测量的噪声强度之和为： (6)上式中S、C分别表示进行N次测量后信号和噪声的平均幅度。这样对N次测量进行算术平均后的信噪比为： (7)其中，SC是求算术平均值前的信噪比。因此采用算术平均值后，使信噪比提高了倍。优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。2.2.2 加权平均值滤波加权平均值法对每次采样值给出相同的加权系数，即1N。但有些场合为了改进滤波效果，提高系统对当前所受干扰的灵敏度，需要增加新采样值在平均值

8、中的比重，即将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均值法。一个N项加权平均式为： (8)其中，均为常数且应满足下式： (9)常数，的选取是多种多样的，其中常用的是加权系数法，即：其中，为控制对象的纯滞后时间。优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，增加了计算量，降低了控制速度。2.2.3 中位值滤波法中值滤波是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本次采样值。优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，

9、对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。2.2.4 滑动平均值滤波以上平均滤波算法有一个共同点，即每计算1次有效采样值必须连续采样N次。对于采样速度较慢或要求数据计算速率较高的实时系统，这些方法是无法使用的。例如AD数据，数据采样速率为每秒10次，而要求每秒输入4次数据时，则N不能大于2。滑动平均值法只采样1次，将本次采样值和以前的N1次采样值一起求平均，得到当前的有效采样值。滑动平均值法把N个采样数据看成一个队列，对列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。计算滤

10、波值时，只要把队列中的N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡系统。缺点：对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲 干扰引起的采样值的偏差。2.2.5 防脉冲干扰平均值滤波在脉冲干扰比较严重的场合，若采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果中去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差。防脉冲干扰平均值法先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。即： (10)其中，在实际应用中，N可取任何值，但为了加快测量计算速度，N一般不能太大，常取为4，即为四取二再取平均值法。

11、优点：具有计算方便、速度快、存储量小等特点，得到了广泛应用。2.2.6 低通滤波将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可以用软件算法来模拟硬件滤波的功能。经推导，低通滤波算法如下： (11)其中，X(K)为本次采样值；Y(K-1)为上次的滤波输出值；为滤波系数，其值通常远小于1；Y(K)为本次滤波的输出值。由上式可以看出，滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值(注意不是上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的)，本次采样值对滤波输出的影响是比较小的，但多少有些修正作用。优点：模拟了具有较大惯性的低通滤波功能，当目标参数为变化很慢的物理量时，效果很好。缺点：不能滤除高于12采

12、样频率的干扰信号。2.2.7 限幅滤波限幅滤波把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值(由被控对象的实际情况决定)Y进行比较，若小于或等于Y，则取本次采样值；若大于Y，则仍取上次采样值作为本次采样值。即： (12)限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物理位置等测量系统。具体应用时，关键的问题是最大允差Y的选取，Y太大，各种干扰信号将“乘虚而入”，使系统误差增大；Y太小，又会使某些有用信号被“拒之门外”，使计算机采样效率变低。因此，门限值Y的选取是非常重要的。通常可根据经验数据获得，必要时也可由实验得出。优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。缺

13、点：无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。3 设计方案加权平均值算法程序设计m=zeros(1,2000);for t=1:2000i=t/;x=5*sin(200*pi*i);y=0.7*rand(1);c(t)=x+y;endsubplot(2,1,1);plot(c);title(滤波前信号);xlabel(时间t);ylabel(电压值);n=input(请输入N=);sum=n*(n+1)/2;k=floor(n+1)/2);for a=k:2000-km(a)=0;for b=-k+1:k-1m(a)=m(a)+c(a+b)/sum;endendsubplot(2,1,2);plot

14、(m);title(滤波后信号);xlabel(时间t);ylabel(电压值);4 结果分析运行加权算法程序后，可得如图1、2所示波形。图1 滤波前信号波形图2 滤波后信号波形（N=10）改变加权平均值滤波算法的采样个数，运行后得到以下输出波形。图3 改变采样个数后的波形（N=30）图4 改变采样个数后的波形（N=60）通过以上波形可以得出，改变采样个数，的确会对滤波器的输出产生影响。在前期，随着N的增加，滤波效果会越来越明显，这也正表明其适用于采样周期较短的系统；但这一并不意味着N的取值尽可能大，如果N的取值偏大会对输出造成负面的影响，使波形发生不必要的失真，使信号不能迅速反应系统当前所受

15、的干扰程度，不能较好的实现滤波效果，并且增加了计算量，反而得不偿失。5 心得体会经过这次的计算机控制课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了计算机控制技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。在经过团队的努力，我们成功的完成了本次设计。对于我个人而言，我熟练的掌握了几种数字滤波的方法，还进一步熟悉了其原理，以及各种方法的优缺点。开始拿到课题难免会感到畏惧，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。这其中还尤为深刻的就是要养成科学严谨的实验习惯，这样做起来才会更有条理性。要把所学的知识灵活运用，必须要翻阅大量的资料并且要多多请教同学和

16、老师，有很多的知识是平时不会注意的，但到了实际操作时就会因为那么一点小欠缺而不能完成。我们需要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。要有耐心和毅力。理论只有与实践结合才能把所学知识灵活运用，本次课程设计我收获很大，既把课本上的理论知识给巩固了，也在实际操作中把所学知识与实际的电路很好的联系起来，并且从客观上理解所学知识。这次设计中不但对以前的知识进行了巩固，而且还学会了更多的新知识，比如仿真软件Matlab软件，提高了思维、强化了动手能力，能够更好的适应独立自主完成任务的挑战，为以后的就业打下了基础。本论文基本是按照实际工作而作的，也记录了我在这期

17、间进行探索的每一步。从开始的稚嫩到现在的自信，这都是经过本次课设之后带给我的最大的改变。这很大程度上提高了我对专业的兴趣和掌握能力，也为以后的专业学习夯实了基础。参考文献1于海生. 计算机控制技术. 机械工业出版社，20102郑学坚，周斌. 微型计算机原理与应用. 清华大学出版社3沈美明，温冬婵. IBM-PC汇编语言程序设计. 清华大学出版社 4何立民. 单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社5姚燕南，薛钧义. 微型计算机原理. 西安电子科技大学出版社6占友等. 新编实用数字化测量技术. 国防工业出版社7宋春荣等. 通用集成电路手册. 山东科技出版社当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间

18、当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称号。小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置疑，小时侯的我快乐无虑。“兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下

19、一阵清风。可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着我那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。在天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸福：我有温馨的家，

20、我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这就够了。天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起手中的笔，用最朴实的语言，写下了一时的感受：人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。“富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学识之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。那时因为读书能给人带来快乐。自从看了丑小鸭这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意

21、同别人交往，变得自信了因为我知道：即使现在我是只“丑小鸭”，但只要有自信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白天鹅”我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服，并把故事讲给了外婆听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。还吵着闹着多看几本名着。于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不认识的字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。渐渐的，自己的语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人读的乐趣大，而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。于是，我便发展“业务”带动全家一起读书现在，每每遇到好书大

22、家也不分男女老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没有人搭理我。最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外婆说：“孩子小，应该让着点。”外婆却不服气的说：“我这一把年纪的了，怎么没人让我呀？”大家人你一言我一语，谁也不肯相让读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合，读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶，教你弘扬正义。读一本好书，如品一杯香茶，余香缭绕。读一本好书，能使人心灵得到净化。书是我的老师，把知识传递给了我；书是我的伙伴，跟我诉说心里话；书是一把钥匙，给我敞开了知识的大门；书更是一艘不会沉的船，引领我航行在人生的长河中。其实读书的真真乐趣也就

23、在于此处，不是一个人闷头苦读书；也不是读到好处不与他人分享，独自品位；更不是一个人如痴如醉地沉浸在书的海洋中不能自拔。而是懂得与朋友，家人一起分享其中的乐趣。这才是读书真正之乐趣呢！这所有的一切，不正是我从书中受到的教益吗？我阅读，故我美丽；我思考，故我存在。我从内心深处真切地感到：我从读书中受到了教益。当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时，我便想到培根所说的话：“世界上最庸俗的人是不读书的人，最吝啬的人是不买书的人，最可怜的人是与书无缘的人。”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书，例如毛泽东主席，他半边床上都是书，一读起书来便进入忘我的境界。书是我生活中的好朋友，是我人生道路上的航标，读书，读

24、好书，是我无怨无悔的追求。下午13：0017：00度。全体员工都必须自觉遵守工作时间，实行不定时工作制的员工不必打卡。3.1.2.2打卡次数：一日两次，即早上上班打卡一次，下午下班打卡一次。3.1.2.3打卡时间：打卡时间为上班到岗时间和下班离岗时间； 3.1.2.4因公外出不能打卡：因公外出不能打卡应填写外勤登记表,注明外出日期、事由、外勤起止时间。因公外出需事先申请，如因特殊情况不能事先申请，应在事毕到岗当日完成申请、审批手续，否则按旷工处理。因停电、卡钟（工卡）故障未打卡的员工，上班前、下班后要及时到部门考勤员处填写未打卡补签申请表，由直接主管签字证明当日的出勤状况，报部门经理、人力资源

25、部批准后，月底由部门考勤员据此上报考勤。上述情况考勤由各部门或分公司和项目文员协助人力资源部进行管理。3.1.2.5手工考勤制度3.1.2.6手工考勤制申请：由于工作性质，员工无法正常打卡（如外围人员、出差），可由各部门提出人员名单，经主管副总批准后，报人力资源部审批备案。3.1.2.7参与手工考勤的员工，需由其主管部门的部门考勤员(文员)或部门指定人员进行考勤管理，并于每月26日前向人力资源部递交考勤报表。3.1.2.8参与手工考勤的员工如有请假情况发生，应遵守相关请、休假制度，如实填报相关表单。3.1.2.9 外派员工在外派工作期间的考勤,需在外派公司打卡记录;如遇中途出差,持出差证明,出

26、差期间的考勤在出差地所在公司打卡记录;3.2加班管理3.2.1定义加班是指员工在节假日或公司规定的休息日仍照常工作的情况。A现场管理人员和劳务人员的加班应严格控制，各部门应按月工时标准，合理安排工作班次。部门经理要严格审批员工排班表，保证员工有效工时达到要求。凡是达到月工时标准的，应扣减员工本人的存休或工资；对超出月工时标准的，应说明理由，报主管副总和人力资源部审批。 B因员工月薪工资中的补贴已包括延时工作补贴，所以延时工作在4小时（不含）以下的，不再另计加班工资。因工作需要，一般员工延时工作4小时至8小时可申报加班半天，超过8小时可申报加班1天。对主管(含)以上管理人员，一般情况下延时工作不

27、计加班，因特殊情况经总经理以上领导批准的延时工作，可按以上标准计加班。3.2.2.2员工加班应提前申请，事先填写加班申请表，因无法确定加班工时的，应在本次加班完成后3个工作日内补填加班申请表。加班申请表经部门经理同意，主管副总经理审核报总经理批准后有效。加班申请表必须事前当月内上报有效，如遇特殊情况，也必须在一周内上报至总经理批准。如未履行上述程序，视为乙方自愿加班。3.2.2.3员工加班，也应按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认；有打卡记录但无公司总经理批准的加班，公司不予承认加班。3.2.2.4原则上，参加公司组织的各种培训、集体活动不计加班。3.2.2.5加班工资的补偿：员工在排班休息日的加班，可以以倒休形式安排补休。原则上，员工加班以倒休形式补休的，公司将根据工作需要统一安排在春节前后补休。加班可按1：1的比例冲抵病、事假。3.2.3加班的申请、审批、确认流程3.2.3.1加班申请表在各部门文员处领取，加班统计周期为上月26日至本月25日。3.2.3.2员工加班也要按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认。各部门的考勤员(文员)负责加班申请表的保管及加班申报。员工加班应提前申请，事先填写加班申请表加班前到部门考勤员(文员)处领取加班申请表，加班申请表经项目管理中心或部门经理同意，主管副总审核，总经理签字批准后