设计扫频信号发生器和数字滤波器

1、智能化测控技术课程设计 数字滤波器与扫频信号发生器设计学生姓名： 指导教师： 专 业： 电子信息工程 班 级： D0745 学 号： 设计时间： 2011年 1月3日至 2011年1月20日 实验地点： 新实验楼524 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc282435064 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc282435064 h 1 HYPERLINK l _Toc282435065 课程设计的意义 PAGEREF _Toc282435065 h 1 HYPERLINK l _Toc282435066 设计目的与要求 PAGEREF _Toc2824

2、35066 h 1 HYPERLINK l _Toc282435067 课程设计目的 PAGEREF _Toc282435067 h 1 HYPERLINK l _Toc282435068 课程设计的要求 PAGEREF _Toc282435068 h 1 HYPERLINK l _Toc282435069 第二章虚拟测试技术简介 PAGEREF _Toc282435069 h 2 HYPERLINK l _Toc282435070 2.1 基于虚拟仪器的虚拟测试技术 PAGEREF _Toc282435070 h 2 HYPERLINK l _Toc282435071 2.2 基于虚拟现实的

3、虚拟测试技术 PAGEREF _Toc282435071 h 3 HYPERLINK l _Toc282435072 2.3 基于软件仿真的虚拟测试技术 PAGEREF _Toc282435072 h 3 HYPERLINK l _Toc282435073 第三章数字滤波器的设计 PAGEREF _Toc282435073 h 5 HYPERLINK l _Toc282435074 数字滤波器概述 PAGEREF _Toc282435074 h 5 HYPERLINK l _Toc282435075 数字滤波器的传统设计方法 PAGEREF _Toc282435075 h 6 HYPERLIN

4、K l _Toc282435076 3.3 LabVIEW 中的数字滤波器 PAGEREF _Toc282435076 h 6 HYPERLINK l _Toc282435077 第四章 扫频信号发生器的设计 PAGEREF _Toc282435077 h 10 HYPERLINK l _Toc282435078 扫频信号发生器总体结构 PAGEREF _Toc282435078 h 10 HYPERLINK l _Toc282435079 基于虚拟仪器的扫频信号发生器设计 PAGEREF _Toc282435079 h 10 HYPERLINK l _Toc282435080 硬件组成 PA

5、GEREF _Toc282435080 h 11 HYPERLINK l _Toc282435081 编程实现 PAGEREF _Toc282435081 h 12 HYPERLINK l _Toc282435082 编程实例 PAGEREF _Toc282435082 h 13 HYPERLINK l _Toc282435083 结束语 PAGEREF _Toc282435083 h 14 HYPERLINK l _Toc282435084 第五章 总结 PAGEREF _Toc282435084 h 15 HYPERLINK l _Toc282435085 参考文献 PAGEREF _To

6、c282435085 h 16第一章 绪 论课程设计的意义虚拟仪器技术在国外已经比较成熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的意义就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面有更深一步的了解。设计目的与要求课程设计目的1.要求在掌握LabView软件的基础上，通过查阅资料，能够独立进行虚拟仪器的设计。2.通过本次设计，加深对各种滤波器的认识，并对各滤波器的滤波特性有一个更加全面的了解。

7、3.掌握LabVIEW环境下如何进行测试以及对 LabVIEW软件进行G语言编程。课程设计的要求1.设计题目：设计扫频信号发生器和数字滤波器2.前面板要求：(1)仪器操作均在前面板进行(2)仪器操作方便，人性化设计(3)前面板美观大方3.后面板要求：(1)设计思路简洁(2)功能完善，达到设计要求(3)布线合理，便于查看虚拟测试技术简介随着“虚拟”一词的广泛使用，在计算机辅助测试领域也出现了“虚拟测试”这一概念，但不同的作者在使用这一概念是所指的内容其实是大相径庭的。本文对这一概念进行了整理归纳，将其按性质分为三类：基于虚拟仪器的虚拟测试技术、基于虚拟现实的虚拟测试技术、基于软件仿真的虚拟测试技

8、术，并对每一类技术就其概念，组成，国内外研究现状和发展前景进行了介绍，以期对该概念的使用形成比较一致的认识。2.1 基于虚拟仪器的虚拟测试技术现在国内绝大部分文献资料上所说的“虚拟测试技术”是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作，而国外文献中此类测试一般直接称为“虚拟仪器”（Virtual Instrument,简称VI）。虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人计算机测量仪器。它将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理技术结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通一起的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。它把由厂家定义仪器功能的方式转变为有用户自己定义仪器功能，用户可根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统

9、，只要将具有一种或多种功能的通用模块相组合，并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。当测试要求改变时，只要增加或更换仪器软硬件模块，就可以构成新的一期，而不必重新购买整台仪器。因此VI充分发挥了计算机的作用，便于与计算机通信相结合来建立计算机网络，组建复杂的测试系统。利用VI思想建立的测试系统提高了测量精度、测量速度，减少了开关、电缆，系统易扩充、易修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，因而得到了广泛的应用。VI的基本构成包括计算机、VI软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器

10、以及其它接口卡。目前较为常用的VI仪器系统异界这三者之间的任意组合。在确定的硬件基础条件下，构造和使用VI的关键就是应用不同的软件实现实现不同的功能，美国国家仪器公司（NI）提出的“软件即仪器”形象地描述了软件在VI中的重要作用。VI的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和VI的用户界面。VI的应用软件由用户编制，可以采用各种编程软件。在VI图形软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大量的工作，其中最有代表性的是NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虚拟仪器软件开发平台。2.2 基于虚拟现实的虚拟测试技术国内外部分文献资料上所说的“虚拟测试技术”则是指借助于虚拟

11、现实技术来进行工程测试。虚拟现实（Virtual Reality,VR）这一名词是由美国VPL公司创建人Lanier在20世纪80年代初提出的，它是指综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三位环境中提供沉浸感觉的技术。VR系统包含操作者及人机接口三个基本要素，其中机器是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机，人机接口则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。和其他的计算机系统相比，VR系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道的人机界面。VR技术克服了传统的人机接口方式的弊端，将会改变人类获取信息的方式，提高人机之间的

12、和谐程度，代表了人机接口方式的最新发展方向。 VR系统具有沉浸、交互、构想三个基本特征。以VR技术创建的虚拟环境，特别强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多为信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中建造新的构想和创意，由于计算机软件、硬件水平的飞速进步，VR自20世纪80年代以来得到了快速发展，并迅速在军事、医疗、建筑、娱乐等各个领域得到了应用。在制造工程领域，研究主要集中在虚拟装配、虚拟制造、虚拟设计等方面。 随着计算机软、硬件性能的不断提高，VR传感设备和技术的日趋实用，基于VR的虚拟测试技术在显示出越来越大的吸引力，但是这方面的

13、研究工作还只是刚起步。限于经费投入、技术支持等方面的原因，基于VR的虚拟测试技术离实用还有一定距离，在其理论基础、支撑技术、设计应用等方面的研究还有待进一步开展。2.3 基于软件仿真的虚拟测试技术国外文献上所说的“虚拟测试”一般都指的是通过软件仿真的方法来对电子元器件尤其是集成电路（IC）芯片在早期开发阶段就进行测试。借助于虚拟测试技术，甚至在第一块IC芯片被生产出来之前，即可根据产品的规格个要求对其进行虚拟测试。其目的是尽早发现产品电路设计中的错误，减少产品的开发周期，降低开发成本。虚拟测试可以对整个测试环境进行仿真，包括物理测试仪器、测试程序、被测器件和器件接口板。但由于不同产品的复杂程度

14、和测试需求可能大不相同，其效益也不能一概而论。Analog Devices公司应用虚拟测试技术开发混合基础电路，即是典型的例子。从所查阅的文献来看，国内目前尚无同类技术。此种虚拟测试的成功取决于测试软件和配套的硬件及对被测芯片的快速、精确、全面的建模。它要求建立ATE（自动测试设备）、DUT（被测器件）和DIB（设备接口板）的模型，也要求有功能强大的仿真环境，这使得其应用受到一定限制。测试模型的建立可借助于虚拟测试描述语言VTML或通用硬件描述语言VHDL，使用标准化的仪器和数据模型，对模拟、数字和混合电路的测试进行与系统无关的定义。数字滤波器的设计滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制（或大

15、为衰减）无用频率信号的装置。工程上常将它用于信号处理、数据传送和抑制干扰等。数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它的输入和输出信号都是离散的，与模拟滤波器相比，它具有准确度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性高等优点，因而数字滤波器在工程中得到了广泛的应用2。数字滤波器有多种分类，按频率特性分类可以分为：高通、低通、带通、带阻；按数字滤波器冲激响应的时域特征分类可以分为：有限冲激响应滤波器（finite impulse response, FIR）和无限冲激响应滤波器（infinite impulse response, IIR）。FIR 滤波器的冲击响应h(n) 是有限序列，IIR 滤

16、波器的冲击响应h(n) 是无限序列的。数字滤波器的差分方程可以用下式表示：式中， x(n) 为输入序列， y(n) 为输出序列， k a 、k b 分别为输出、输入序列的系数。数字滤波器对应的传递函数为：当ka不全为0 时，为IIR 滤波器；当k a 全为0 时，为FIR 滤波器。从性能上看，FIR 滤波器和IIR 滤波器各有优点：FIR 滤波器可以得到严格的线性相位；但是需要较多的存储器和较长的运算，成本比较高，信号延时也较大。IIR 滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用存储单元少，运算次数少，效率高的优点；但是相位是非线性的，且选择性越好其相位非线性越严重。3.2数字滤波器的传统

17、设计方法数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤：(1)按照实际需要确定滤波器的性能要求。(2)用一个因果稳定的系统函数(即传递函数)去逼近这个性能要求。此函数可以分为两类：即IIR 传递函数和FIR 传递函数。(3)用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。FIR 滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。目前，FIR 滤波器设计没有封闭的设计公式。虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式，但计算通带与阻带衰减仍无计算公式。FIR 滤波器的设计只有计算程序可循，因此对计算工具要求较高，不用计算机编程一般很难实现。IIR 滤

18、波器的设计源于模拟滤波器设计，它通过对低通滤波器进行模拟频率变换得到。常用的IIR 滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。目前，IIR 滤波器的设计可以借助模拟滤波器的成果，有封闭形式的设计公式，对计算工具的要求不高。IIR 滤波器的设计虽然简单，但脱离不了模拟滤波器的设计模式，主要用于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。而FIR 滤波器的设计要灵活得多，尤其是频率采样设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求3.3 LabVIEW 中的数字滤波器利用文本软件设计实现的滤波器在使用过程中往往出现难以调整波形系数，与硬件接口程序复杂，开发周期长等问题。而

19、使用LabVIEW 设计的滤波器不仅设计简单，而且使用起来要比利用文本文件实现的滤波器方便得多。LabVIEW 为设计者提供了FIR 和IIR 滤波器VI，使用起来非常方便，只需要输入相应的指标参数即可，不需进行复杂的函数设计和大量的运算。滤波器VI位于LabVIEW流程图面板的FunctionAnalyzesignal ProcessingFilters。不同滤波器VI 滤波时均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用LabVIEW 实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参照不同滤波器的特点，考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器。各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤见图3-1

20、。图3-1 滤波器选择步骤3 基于LabVIEW 的数字滤波器设计实例电力系统滤波器可以从电力信号中将所需频段的信号提取出来并将干扰信号滤除或大大衰减。利用LabVIEW 可以设计出满足电力系统需要的滤波器，图3-2为利用LabVIEW 设计的IIR 数字滤波器前面板，前面板上有参数设置、波形显示两个区域。在参数设置区域有六个设置项：滤波器选择、滤波器类型、下截止频率、上截止频率、采样频率、阶次、纹波、衰减；选择的滤波器不同时，需要设置的项也不同。波形显示区域用于显示滤波前后的波形，在此区域可直观地看出滤波效果。图3-2 数字滤波器前面板滤波器的输入信号是从电力系统中采集的，信号中含有频率为5

21、0Hz，有效值为220V 的基频分量，和频率为100Hz、150Hz、200Hz 的二次、三次、四次谐波。现欲提取出基频分量，滤去高次谐波，采用低通滤波方式滤波，滤波阶次为8 阶，纹波为0.1，衰减为60，下截止频率为50Hz，分别采用巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器滤波，滤波器的输入信号与不同滤波器的输出波形如图3-3 所示。由图3-3 可以看出采用不同的滤波器滤波，滤波效果是不同的。在此实例中，巴特沃思滤波器和切比雪夫滤波器的滤波效果相对较好；而切比雪夫滤波器的滤波延迟时间较长；贝塞尔滤波器滤波的衰减较大。因此，要根据不同的工况要求来选择合适的滤波器

22、滤波。a) 滤波器的输入信号 b) 经巴特沃思滤波器滤波后的波形c) 经切比雪夫滤波器滤波后的波形 d) 经切比雪夫滤波器滤波后的波形e) 经椭圆滤波器滤波后的波形 f) 经贝塞尔滤波器滤波后的波形 图3-3 滤波器的输入和输出信号第四章 扫频信号发生器的设计虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。扫频仪总体结构如图4-1所示。计算机A/D采集通道1被测系统模拟信号 软件处理及显示A/D采集通道2图4-1扫频仪测试框图实验法测量系统频率特性的一般原理是：系统在正弦信号激励下，输出响应达到稳态时，响应信号是与激励信号频率相同的

23、正弦波，响应信号与激励信号的幅值比即为该频率的幅频特性值，而两者的相位差即为相频特性。以一系列不同频率的正弦信号作激励，分别加到被测系统或网络（电路）上，测得其相应的响应信号，并将每个频率处的响应信号与激励信号的幅值相比、相位相减。由这些计算结果，就可以绘制出被测系统或网络（电路）的幅频特性和相频特性曲线。可以采用频率逐点步进或频率连续变化的方法，完成整个频率特性的测量。在虚拟仪器环境下测量网络（电路）频率特性的方法主要有以下4种：（1）多步法；（2）使用正弦波组合的单步法；（3）使用Chirp信号的单步法；（4）使用随机信号的单步法。基于虚拟仪器的扫频信号发生器设计在开发某电路板自动测试系统

24、的过程中，由于需要检测部分用于对信号进行带通滤波的电路板，所以基于多步法开发了检测该类型电路板的扫频信号发生器用户程序。扫频信号发生器是一种与手工测量原理最接近的方法，换句话说，该方法将通过常用的手工方法自动化，该法又称多步法，其测量原理的流程图如图4-2所示。图4-2 扫频信号发生器程序流程图硬件组成扫频信号发生器的构建主要基于PXI-5412任意波形发生器和PXI-6132数据采集卡。PXI-5412任意波形发生器是一个具有14位分辨率、100MS/s采样率和高达64MB板上存储器的1插槽PXI模块，该模块可以产生足够精度的电路板测试激励信号。基于LabVIEW开发平台，利用NI公司提供的

25、设备驱动程序NI-FGEN，它含有一系列的表准函数用于配置、创建、启动和终止波形的发生，可以极大地简化程序流程，缩短程序开发时间。PXI-6132数据采集卡可实现4路信号同步采集，A/D精度为14b，最大采样频率为2.5MHz。利用该数据采集卡可以很方便地实现相应信号的采集，利用NI提供的驱动程序，编程开发较为简单。编程实现 由图4-2进行具体程序的编写，实现扫频信号的发生与电路板响应信号的采集，可以通过以下6步实现：（1）选取实现滤波功能的电路板的频率参数指标（左右边频）作为扫频仪的频率起始和结束频率。为了取得较好的测试效果，在实际编程时，采用的频率参数向两边作一定的扩展。（2）频率范围确定

26、后，再确定激励信号频率点的分配，一般根据备件板频率参数的误差来确定，即频率分辨率（步长）delt要小于误差。频率点的个数由公式得到：N=（F_h-F_l）/delt。确定频率点个数后，用于产生信号的循环次数也确定，次数与频率点个数相同。频率点为Fi=F_l+idelt。参数F_l、F_h、Fi、i、N分别代表起始频率、结束频率、频率点、For循环的中间变量、循环次数。（3）激励信号的产生。由PXI-5412产生所需频率的信号、频率由上一步的Fi确定。在信号发生时，信号发生时，信号的幅值固定不变，仅频率不同。（4）延时。目的是使得电路板加激励后进入工作稳定状态。（5）数据采集与处理。采集PXI6

27、132采集电路板的输出，调用Extrat Signal Tone Information.vi计算被测信号的幅值，该函数功能强大，不仅误差小而且可以同时计算出幅值和相位，但LabVIEW对其进行了算法加密，Help中也没有对其进行任何说明。在每次循环中，将经过Extract Signal Toner Information.vi分析后的响应信号幅值与信号源的幅值相除，实现归一化。（6）在完成N次循环测试后，将归一化后的幅值数组与频率点数组进行打包组合成为元素为簇的数组，并将该簇数组使用X-YGraph图形控件显示，即可得到该备件板的特性曲线。整个程序是基于一个for循环编写的，循环的此次数由频

28、率分辨率、起始频率、结束频率共同确定，在每一次循环中，激励信号的产生、数据的采集与处是与顺序结构来实现。该部分的程序包含于该类型电路板的测试子程序，是测试子程序一个重要组成部分。图形化程序如图4-3所示。图4-3 扫频信号发生器后面板编程实例对某块用于滤波功能的电路板的测试，该电路板的左右边频分别是2kHz。对其进行测试时，设置信号源开始频率为1kHz,终止频率为5kHz，信号源幅度保持1V不变，设置扫描100个频率点。在对其测量结果进行图形显示是，对图6所示的程序进行改进，采用动态显示的编程技巧，使得测试人员能够更加直观地了解测试的全过程。测试过程见图4-4和图4-5，图4-3是被测电路板经

29、归一化后的幅频响应图，图4-4是当信号源频率为4kHz时的电路板的输出约为0.7V，由此可证明该电路板工作正常，指标合格。图4-3 幅频响应图图4-4 =4kHz时的输出响应时域图基于虚拟仪器技术，采用模块化仪器硬件测试网络（电路）频率特性，方法简洁明了，测试结果准确。将文中的测试方法和程序进行二次开发，利用LabVIEW开发仪器前面板，可以得到用于网络频率特性测试的专用扫频信号发生器，在某自动测试系统的开发过程中，不仅可以大大增强测试系统的仪器使用功能。 第五章 总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就