智能传感器实验报告

智能传感器实验报告智能传感器实验报告全文共36页，当前为第3页。实验目的：通过仿真及实测训练，掌握数字滤波器的原理、特征参数、功能及其编程实现的方法。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第3页。一、自主学习模块—培养自主学习的能力（1）数字滤波器主要功能的三个方面是：消噪、提高信噪比、提高分辨率。（2）通带、阻带、过渡带的定义为什么？根据上述三种频带及其在频段中所处区间的不同，滤波器可分为哪四类？通带：通带边缘频率之间的部分，此频率范围的信号通过滤波器后获得近似无失真输出。阻带：阻带边缘频率之外的部分，此频率范围内的信号通过滤波器后衰减最大。过渡带：通带与阻带之间的部分。根据上述三种频带及其在频段中所处区间的不同，滤波器可分为：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。（3）欲将某一阶环节的传感器频带扩展A倍，其传递函数为W(s)、频率特性为W(jω)现欲将其频带扩展A倍，即扩展后的转角频率为也就是时间常数减小A倍，即如何通过附加一个串联环节来达到上述目的？写出等效数字滤波器的差分方程式。可以附加的串联环节为，这样最终系统的传递函数为，差分方程为：二、自主训练模块—培养发现问题的能力练习一巴特沃斯滤波器演示仪的使用练习实验目的（1）通过对巴特沃斯数字滤波器演示仪的使用练习，学习在演示仪上通过“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器；（2）通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能。实验内容了解低通、高通、带通、带阻四种滤波器的滤波参数设置方法，观察不同参数下四种滤波器的滤波效果，学会通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”选取最优的滤波参数。（1）带通滤波器：智能传感器实验报告全文共36页，当前为第4页。1）带通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第4页。图1带通滤波器幅频特性图设置滤波器的参数：滤波器类型带通、滤波器阶次4、低截止频率49Hz、高截止频率51Hz，此带通滤波器的幅频特性如图1所示，f1为低截止频率、f2为高截止频率。调整横坐标后，滤波器幅频特性如图2所示。图2滤波器的幅频特性记录此时滤波器f1和f2，这里记录的方法是：将横向游标放置在0.707处，然后分别将于纵向游标放置在横向游标与滤波器曲线的交点，读取两次纵向游标值，如图3所示。图3带通滤波器的幅频特性从图3中可以读出，此带通滤波器的低截止频率为49.05Hz，高截止频率为51.02Hz。与设定值基本相同。2）不改变带通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表1所示参数进行设置。表1干扰信号参数设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）智能传感器实验报告全文共36页，当前为第5页。1智能传感器实验报告全文共36页，当前为第5页。0002225300325302427000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图4带通滤波器第一组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第6页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第6页。图5带通滤波器第二组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第7页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第7页。图6带通滤波器第三组结果图7带通滤波器第四组结果3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“高截止频率(Hz)”=52Hz，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。在前面板中读取此滤波器的截止频率，如下图所示：智能传感器实验报告全文共36页，当前为第8页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第8页。图8修改参数后带通滤波器的幅频特性可以看出，此滤波器的低截止频率为48.98Hz，高截止频率为52.04Hz，与设定值基本相同。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图9修改参数后带通滤波器的滤波效果4）比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的带通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1、f2。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第9页。如图3和图8所示，修改参数前后，滤波器的低截止频率基本保持不变，高截止频率由原来的51.02Hz变为52.04Hz。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第9页。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？比较图5和图9：从滤波效果演示图中，未看出参数修改前后的明显变化。从定量指标上看，修改参数前，滤波后信噪比由原来的0.0041变到8.5016；修改参数后滤波后信噪比由原来的0.0041变到1.6201。在失真度方面未看出二者有明显的不同。从幅频特性上看，修改参数前，滤波后的幅频特性上只有有用信号的谱线；修改参数后，滤波后的幅频特性上除了有用信号的频率成分外还有残余的干扰信号谱线。由以上对比可以看出，修改参数前的滤波效果更优。（2）低通滤波器：1）低通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。图10低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性如上图所示，f1为低截止频率，设置滤波器的参数：滤波器类型低通、滤波器阶次17、低截止频率70Hz、高截止频率无效。调整横坐标后，滤波器幅频特性如下图所示。图11低通滤波器的幅频特性按照与带通滤波器相同的方法，读取此低通滤波器的低截止频率为70.20Hz，与设定值基本相同。2）不改变低通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表2所示参数进行设置。表2低通滤波器干扰信号设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）智能传感器实验报告全文共36页，当前为第10页。1智能传感器实验报告全文共36页，当前为第10页。0002229000329002428000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图12低通滤波器第一组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第11页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第11页。图13低通滤波器第二组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第12页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第12页。图14低通滤波器第三组结果图15低通滤波器第四组结果3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“滤波器阶次”=4，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=90Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。观察低通“滤波器幅频特性图”，并记录此滤波器的f1。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第13页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第13页。图16修改参数后低通滤波器的幅频特性如图所示，此低通滤波器的低截止频率为70.20，与设定值基本相同。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图17修改参数后低通滤波器的滤波效果4)、比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的低通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1。如图11和图16所示，修改参数前后低通滤波器的低截止频率并没有改变，均为70.20Hz。但修改参数前，使信号不失真的频带范围更宽。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第14页。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=90Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？智能传感器实验报告全文共36页，当前为第14页。对比图13和图17：从滤波前后的效果图中可以看出，修改参数后，滤波后的波形有较严重的失真。从定量指标上看，修改参数前后未有较明显的变化。从频谱上看，修改参数前，滤波后的频谱中只有有用信号的频率分量；修改参数后，滤波后的频谱中除了含有用信号的频率成分外，还有较明显的干扰信号成分。综上所述，修改参数前的滤波效果要好。3．高通滤波器：（1）高通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。图18高通滤波器幅频特性图高通滤波器的幅频特性如上图所示，f1为低截止频率，设置滤波器的参数：滤波器类型高通、滤波器阶次4、低截止频率30Hz、高截止频率无效。调整横坐标后，滤波器幅频特性如下图所示。图19高通滤波器幅频特性如图19所示，此高通滤波器低截止频率为29.59Hz,与设定值基本相同。（2）不改变高通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表3所示参数进行设置。表3高通滤波器干扰信号设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）10002221000321002智能传感器实验报告全文共36页，当前为第15页。4智能传感器实验报告全文共36页，当前为第15页。22000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图20高通滤波器第一组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第16页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第16页。图21高通滤波器第二组结果图22高通滤波器第三组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第17页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第17页。图23高通滤波器第四组结果（3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“低截止频率”＝15Hz，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=10Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。在前面板中读取此高通滤波器的低截止频率，如下图所示：图24修改参数后高通滤波器的幅频特性从图中可以看出，此滤波器的低截止频率为14.97Hz，与设定值基本相同。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第18页。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第18页。图25修改参数后高通滤波器的滤波效果（4）比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的高通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1。如图19和图24所示，修改参数前后，高通滤波器的低截止频率由29.59Hz变到14.97Hz。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=10Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？对比图21和图25：从滤波效果图中可以看出，修改参数后，滤波后的波形与有用信号的波形有较明显不同。从定量指标上看，参数修改前后无明显差别。从幅频特性上看，修改参数前，频谱中只有有用信号的频率成分；修改参数后，频谱中含有用信号分量和干扰信号分量。综上所述，修改参数前的滤波效果更好。4、带阻滤波器：(1)带阻滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。带阻滤波器的幅频特性如下图所示，f1为低截止频率、f2为高截止频率。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第19页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第19页。图26带阻滤波器的幅频特性图设置滤波器的参数：滤波器类型带阻、滤波器阶次4、低截止频率29Hz、高截止频率31Hz。调整横坐标后，读取滤波器截止频率如下图所示。图27带阻滤波器的幅频特性从图中可以读出，此带通滤波器的低截止频率为28.91Hz，高截止频率为31.02Hz，与设定值基本相同。（2）不改变带阻滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表4所示参数进行设置。表4带阻滤波器干扰信号参数设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）10002223000323002423100保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第20页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第20页。图28带阻滤波器第一组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第21页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第21页。图29带阻滤波器第二组结果图30带阻滤波器第三组结果智能传感器实验报告全文共36页，当前为第22页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第22页。图31带阻滤波器第四组结果（3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“滤波器阶数”=10，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=30Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。在前面板中读取此带阻滤波器的低截止频率和高截止频率，如下图所示：图32修改参数后带阻滤波器的幅频特性智能传感器实验报告全文共36页，当前为第23页。从图中可以看出次带通滤波器的低截止频率为28.88Hz，高截止频率为31.02Hz，与设定值基本相同。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第23页。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图33修改参数后带阻滤波器的滤波效果（4）比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的带阻“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1、f2。如图27和图32所示，参数修改前后滤波器的高低截止频率未发生变化，但修改参数后，滤波器阻带的边沿更陡峭。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=30Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？对比图29和图33：修改参数前后，两者在滤波效果图和频谱中均未呈现明显差别。在定量指标方面，修改参数前，信噪比由-0.0011变到13.6127；修改参数后信噪比由原来的-0.0011变到7.7081。综上所述，修改参数前的滤波效果更好。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第24页。5．对比与思考：(注意，对比的两幅图的“频谱显示模式”应该一致)智能传感器实验报告全文共36页，当前为第24页。（1）比较滤波器参数不同时的自身特性，找出不同之处，根据以上实验中保存的数据以及特性图，总结结论，为每个类型的滤波器选择最佳参数。通过以上的对比，对于给定的干扰信号，将每个类型的滤波器最优参数总结如下：①带通滤波器（有用信号频率50Hz）低截止频率49Hz，高截止频率51Hz，滤波器阶数4。②低通滤波器（有用信号频率50Hz）低截止频率70Hz，滤波器阶数17。③高通滤波器（有用信号频率50Hz）低截止频率30Hz，滤波器阶数4。④带阻滤波器（有用信号频率30Hz）低截止频率29Hz，高截止频率31Hz，滤波器阶数4。（2）比较滤波器之间的不同根据滤波器以上实验中保存的各个类型滤波器“滤波器特性图”，比较带通滤波器与带阻滤波器、低通滤波器与高通滤波器的异同。四种滤波器的不同体现在：通带、阻带、过渡带的位置不一样，简单叙述如下：带通滤波器通带在中央，阻带在两侧；带阻滤波器通带在两侧，阻带在中央；低通滤波器通带在左侧，阻带在右侧；高通滤波器通带在右侧，阻带在左侧。（3）四个滤波器在对加有2V，正弦干扰信号的滤波效果有何不同①带通滤波器与带阻滤波器a．设置被测信号“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=30Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时b．带通滤波器设置滤波器参数：滤波器类型带通、滤波器阶次4、低截止频率49Hz、高截止频率51Hz，调整横坐标后保存“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”，记录消噪前后的信噪比和失真度。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第25页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第25页。图34带通滤波器效果c．带阻滤波器设置滤波器参数：滤波器类型带阻、滤波器阶次4、低截止频率29Hz、高截止频率31Hz，调整横坐标后保存“滤波效果演示图”，以及“滤波前和滤波后信号幅频特性图”，记录消噪前后的信噪比和失真度。如图29所示。d.比较带通滤波器和带阻滤波器的滤波效果比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”，以及消噪前后的信噪比和失真度。比较图29和图34：从滤波效果图上看，二者滤波后的波形与有用信号的波形均相同；从幅频特性上看，二者的频谱中均只有有用信号谱线；从定量指标上看，二者的失真度指标相差不大，信噪比方面，信号经过带通滤波器后信噪比由-0.0011变为8.4508，信号经过带阻滤波器后信噪比由-0.0011变为13.612。从以上对比可以看出，二者均能达到较好的滤波效果，带阻滤波器性能更好一些。②低通滤波器与高通滤波器a．设置被测信号“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=90Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时b．低通滤波器设置滤波器参数：滤波器类型低通、滤波器阶次4、低截止频率70Hz、高截止频率无效，调整横坐标后保存“滤波效果演示图”，以及“滤波前和滤波后信号幅频特性图”，记录消噪前后的信噪比和失真度。如图17所示。c．高通滤波器修改“正弦干扰信号频率”=10Hz设置滤波器参数：滤波器类型高通、滤波器阶次4、低截止频率30Hz、高截止频率无效，调整横坐标后保存“滤波效果演示图”，以及“滤波前和滤波后信号幅频特性图”，记录消噪前后的信噪比和失真度。如图21所示。d.比较高通滤波器和低通滤波器的滤波效果比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及消噪前后的信噪比和失真度。比较图17和图21：智能传感器实验报告全文共36页，当前为第26页。从滤波效果显示图上看，低通滤波器滤波后的波形存在明显失真，高通滤波器滤波后的波形与有用信号的波形相同。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第26页。从幅频特性图上看，低通滤波器滤波后的信号频谱存在两个频率成分，而高通滤波器滤波后的频谱只有有用信号的频率成分。从量化指标上看不出明显区别。综上所述，高通滤波器的滤波效果好。练习二USB-6211数据采集卡的使用与驱动设计实验目的：1．学会使用USB-6211数据采集卡，进行模数转换，数模转换2．学会用LabWindows/CVI或者LabVIEW驱动USB-6211数据采集卡实验内容：学会使用USB-6211数据采集卡NIUSB-6211是一款USB总线供电M系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度，16位A/D转换。该模块提供了16路模拟输入；250kS/s单通道采样率；2路模拟输出；8路数字输入线；8路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围(±0.2V-±10V)；数字触发；2个计数器/定时器。输入模拟信号：选择一个模拟输入通道和一个模拟地通道，分别接模拟信号和地。三、自主应用模块-培养解决问题的能力课题一：根据幅频特性要求的典型低通、高通、带通、带阻滤波器的设计实验目的：1．设计一个虚拟巴特沃斯滤波器面板要求：可以设置滤波器参数，包括采样频率(Hz)、采样点数、滤波器类型、滤波器阶次、低截止频率(Hz)、高截止频率(Hz)，显示滤波前后的波形。设计数字滤波器的A/D、D/A转换，可以用此滤波器来对实际的模拟信号进行滤波，并且可以将滤波后的信号通过数据采集卡的D/A通道输出。设计的数字滤波器A/D、D/A转换模块如下图所示。实验内容：1．预习“现代测试技术与系统集成”第8.1节，详细阅读[示例8-1]2．在LabVIEW或者LabWindows/CVI软件平台上，设计一个虚拟巴特沃斯滤波器，满足面板要求。根据要求设计的巴特沃斯数字滤波器如下图所示。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第27页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第27页。图35巴特沃斯数字滤波器前面板图36巴特沃斯数字滤波器程序框图此程序中子模块如下：AB图37巴特沃斯模块智能传感器实验报告全文共36页，当前为第28页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第28页。图38频谱分析模块设计数字滤波器的模数转换部分，要求模拟信号输入通道号可选。图39A/D转换模块设计数字滤波器的数模转换部分，要求模拟信号输出通道号可选。图40D/A转换模块使用信号发生器以及示波器检验此数字滤波器的功能。（注：这一部分在实验时，有的面板未经过美化，所以和上一部分展示的面板有些差别）(1)使用SUINGTFG2006DDS函数信号发生器，产生频率为10Hz、幅值为2V、占空比为50％的方波，输入数据采集卡的A/D0通道。(2)使用你所设计的虚拟巴特沃斯滤波器，调整模拟信号输入通道号为0，调整模拟信号输出通道号为0。调整滤波器的参数，观察滤波前后的波形。滤波前的信号是否与函数信号发生器产生的信号相同。(3)使用TektronixTDS2002信号示波器，检测数据采集卡D/A0通道的输出信号，是否与滤波器所显示的滤波后的波形相同。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第29页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第29页。图41巴特沃斯滤波器的滤波效果图42示波器上显示的巴特沃斯滤波器滤波后的波形如图41所示，方波信号频率为10Hz，幅值为3V，带通滤波器的低截止频率为9Hz，高截止频率为11Hz，滤波后获得了频率为10Hz的正弦波，幅值接近4V，与理论结果相同，如图42所示，示波器上的波形与滤波器显示的波形相同。课题二：根据传递函数要求的广义滤波器设计实验目的：1．根据传递函数设计一阶低通滤波器。面板要求：输入控制类控件：调节时间常数的系数p，q。输出显示类控件：滤波前后的波形，滤波前后的时间常数，滤波后的信噪比。设计数字滤波器的A/D、D/A转换，可以用此滤波器来对实际的模拟信号进行滤波，并且可以将滤波后的信号通过数据采集卡的D/A通道输出。实验内容：复习教材第8.1.3节IIR滤波器的设计方法简介中的后向差分法。根据传递函数，写出数字滤波器差分方程。数字滤波器的差分方程为：。在LabVIEW或者LabWindows/CVI软件平台上，根据差分方程，设计一阶低通滤波器，满足面板要求。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第30页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第30页。图43广义一阶数字滤波器前面板图44广义数字滤波器程序框图设计数字滤波器的模数转换部分，要求模拟信号输入通道号可选。此处模数转换模块与巴特沃斯数字滤波器处相同。设计数字滤波器的数模转换部分，要求模拟信号输出通道号可选。此处数模转换模块与巴特沃斯数字滤波器处相同。使用信号发生器以及示波器检验此数字滤波器的功能。（注：这一部分实验时，面板未经过美化，所以和上一部分展示的面板有些差别）(1)使用SUINGTFG2006DDS函数信号发生器，产生频率为10Hz、幅值为2V、占空比为50％的方波，输入数据采集卡的A/D0通道。(2)使用你所设计的一阶低通滤波器，调整模拟信号输入通道号为0，调整模拟信号输出通道号为0。调整滤波器的参数，观察滤波前后的波形。滤波前的信号是否与函数信号发生器产生的信号相同。(3)使用TektronixTDS2002信号示波器，检测数据采集卡D/A0通道的输出信号，是否与滤波器所显示的滤波后的波形相同。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第31页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第31页。图45广义一阶滤波器的滤波效果图46示波器上显示的广义一阶滤波器滤波后的波形此处采用的方波频率为10Hz，幅值为3V，滤波器为一阶低通滤波器，p=0.94,q=0.06,计算得截止频率f为10Hz，从滤波后的波形中可以看出，此滤波器未能成功分离出频率为10Hz的正弦信号。可以从滤波器幅频特性上看出，在10的倍频处，滤波器的幅值并没有衰减到0，所以，并不能消除其他的频率分量，这是由滤波器的阶数决定的。（注：图45没有在运行时截图，这里q值有所改动，波形图和其他参数为实际运行时的形式）课题三：数字滤波器的功能检验实验目的：检验你所设计的数字滤波器的功能实验内容：检验数字滤波器功能原理框图如下图所示：图47检验数字滤波器功能原理图连接被测信号发生器、数字滤波器、频谱分析仪观察数字滤波器的滤波效果，选取最优参数（1）虚拟巴特沃斯滤波器（注：这一部分实验时，滤波器面板进行了部分美化，所以和之前展示的面板有些差别）①设置被测信号：“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位0度“白噪声幅值”=1V。②选择合适的采样点数和采样频率③将滤波器类型设为带通，选择最优参数进行滤波。并记录滤波器参数和滤波后波形的频谱特性图。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第32页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第32页。图48被测信号发生器图49巴特沃斯滤波器的滤波效果2图50频谱分析如图49所示，此处选择的带通滤波器阶数为2，低截止频率为49Hz，高截止频率为51Hz，滤波后的波形中只有50Hz的频率成分，滤波效果较好。（2）一阶低通滤波器①设置被测信号：“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=10Hz、“正弦干扰信号相位0度“白噪声幅值”=0V。②选择合适的采样点数和采样频率③调节时间常数的系数p,q选择最优参数进行滤波。并记录滤波器参数和滤波后波形的频谱特性图。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第33页。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第33页。图51被测信号发生器2图52广义一阶滤波器的滤波效果2图53频谱分析2如图52所示，此广义低通滤波器p=0.94，q=0.06，所以此滤波器的低截止频率为10Hz，滤波后削弱了部分噪声，但还有其他频率成分。四、自主提高模块—培养举一反三、学以致用的能力实验目的：利用已知滤波器的系数，编写数字滤波器。实验内容：1.复习教材“智能传感器系统”第5.3.1节数字滤波器的数学基础——Z变换简介的数字滤波器的数学模型。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第34页。2．学会使用LabWindows/CVI或者LabVIEW中的函数/图标，得到滤波器传递函数差分方程系数。智能传感器实验报告全文共36页，当前为第34页。已知IIR无限冲激响应滤波器系统的脉冲传递函数表达式的差分方程：称系数ar为正向系数；称系数bk为反向系数。当ar、bk已知时，可以写出滤波器系统的脉冲传递函数表达式的差分方程。练习获得巴特沃斯滤波器的系数。图54获取巴特沃斯滤波器系数程序框图这里采用的是低截止频率为55Hz，阶数为2的低通滤波器，获得的滤波器系数如下图所示。图55巴特沃斯滤波器系数利用所得系数，构造差分方程，编写滤波器程序。编写的程序为：clcclearA1=2;A2=1;f1=50;a1=0;w1=2*pi*f1;t=0:0.001:0.1;X1=A1*sin(w1*t+a1);%产生幅值为2v，频率为50赫兹的正弦波X2=A2*rand(1,length(t));X3=-A2*rand(1,length(