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
第一章绪论 (1)
1.1课程设计的意义 (1)
1.2设计目的与要求 (1)
1.2.1课程设计目的 (1)
1.2.2课程设计的要求 (1)
第二章虚拟测试技术简介 (2)
2.1 基于虚拟仪器的虚拟测试技术 (2)
2.2 基于虚拟现实的虚拟测试技术 (3)
2.3 基于软件仿真的虚拟测试技术 (3)
第三章数字滤波器的设计 (5)
3.1数字滤波器概述 (5)
3.2数字滤波器的传统设计方法 (6)
3.3 LabVIEW 中的数字滤波器 (6)
第四章扫频信号发生器的设计 (10)
4.1扫频信号发生器总体结构 (10)
4.2基于虚拟仪器的扫频信号发生器设计 (10)
4.2.1硬件组成 (11)
4.2.2编程实现 (12)
4.2.3编程实例 (13)
4.3结束语 (14)
第五章总结 (15)
参考文献 (16)
第一章绪论
1.1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。
1.2设计目的与要求
1.2.1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。
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。
1.2.2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
第二章虚拟测试技术简介
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，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。
第三章数字滤波器的设计
3.1数字滤波器概述
滤波器是一种使有用频率信号通过同时抑制（或大为衰减）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Ⅱ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Function>>Analyze>>signal Processing>>Filters。
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。
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50Hz，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Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ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
4.1扫频信号发生器总体结构
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。
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。
4.2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
4.2.1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。
4.2.2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+i delt。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PXI6132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
4.2.3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
4.3结束语
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，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次模具设计，本人在多方面都有所提高。通过这次模具设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
参考文献
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数字滤波器的设计步骤及程序实现 湖南理工学院信息与通信工程学院 一、IIR 脉冲响应不变法设计步骤 1、已知实际数字指标as s ap p ，，，ωω 2、将数字指标化为原型模拟指标As s Ap p ，，，ΩΩ，可设T=pi, T /ω=Ω 3、求原型模拟滤波器的c N Ω，，其中：??? ???ΩΩ--=)/lg(2)]110/()110lg[(10/10/s p A A s p N N A p cp p 210 /1 10 -Ω= Ω N A s cs s 210 /1 10 -Ω= Ω ][cs cp c ΩΩ∈Ω， 4、根据N 写出归一化原型系统函数)(p G a 5、用c s p Ω=/代入得原型系统函数c s p a a p G s H Ω==/)()( 6、将)(s H a 化为部分分式展开形式∑-=k k a s s A s H )( 7、写出)(z H 的极点T s k k e z =，并写出)(z H 的部分分式展开形式∑--?= 11)(z z A T z H k k 8、将)(z H 化为分子分母形式，验证设计结果。 二、IIR 双线性变换法设计步骤 1、已知实际数字指标as s ap p ，，，ωω 2、将数字指标化为原型模拟指标As s Ap p ，，，ΩΩ，可设T=2, 2 tan 2ω?= ΩT 3、求原型模拟滤波器的c N Ω，，其中：?? ? ???ΩΩ--=)/lg(2)]110/()110lg[(10/10/s p A A s p N N A p cp p 210 /1 10 -Ω= Ω N A s cs s 210 /1 10 -Ω= Ω ][cs cp c ΩΩ∈Ω， 4、根据N 写出归一化原型系统函数)(p G a 5、用c s p Ω=/代入得原型系统函数c s p a a p G s H Ω==/) ()( 6、用11 112--+-?=Z Z T s 代入原型系统函数)(s H a 得1 1 112)()(--+-? ==Z Z T s a s H z H 8、将)(z H 整理成分子分母形式，验证设计结果。
目录 1.题目.......................................................................................... .2 2.要求 (2) 3.设计原理 (2) 3.1 数字滤波器基本概念 (2) 3.2 数字滤波器工作原理 (2) 3.3 巴特沃斯滤波器设计原理 (2) 3.4脉冲响应不法 (4) 3.5实验所用MA TLAB函数说明 (5) 4.设计思路 (6) 5、实验内容 (6) 5.1实验程序 (6) 5.2实验结果分析 (10) 6.心得体会 (10) 7.参考文献 (10)
一、题目：巴特沃斯数字低通滤波器 二、要求：利用脉冲响应不变法设计巴特沃斯数字低通滤波器，通带截止频率100HZ,采样频率1000HZ ，通带最大衰减为0.5HZ ，阻带最小衰减为10HZ ，画出幅频、相频相应相应曲线。并假设一个信号x(t)=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),其中f1=50HZ,f2=200HZ 。用此信号验证滤波器设计的正确性。 三、设计原理 1、数字滤波器的基本概念 所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例，或者滤波器除某些频率成分的数字器件或程序，因此，数字滤波的概念和模拟滤波相同，只是的形式和实现滤波方法不同。正因为数字滤波通过数值运算实现滤波，所以数字滤波处理精度高、稳定、体积小、质量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实验模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。如果要处理的是模拟信号，可通过A\DC 和D\AC,在信号形式上进行匹配转换，同样可以使用数字滤波器对模拟信号进行滤波。 2、数字滤波器的工作原理 数字滤波器是一个离散时间系统，输入x(n)是一个时间序列，输出y(n)也是一个时间序列。如数字滤波器的系统函数为H(Z),其脉冲响应为h(n),则在时间域内存在下列关系 y(n)=x(n) h(n) 在Z 域内，输入输出存在下列关系 Y(Z)=H(Z)X(Z) 式中，X(Z),Y(Z)分别为输入x(n)和输出y(n)的Z 变换。 同样在频率域内，输入和输出存在下列关系 Y(jw)=X(jw)H(jw) 式中，H(jw)为数字滤波器的频率特性，X(jw)和Y(jw)分别为x(n)和y(n)的频谱。w 为数字角频率，单位rad 。通常设计H(jw)在某些频段的响应值为1，在某些频段的响应为0.X(jw)和H(jw)的乘积在频率响应为1的那些频段的值仍为X(jw)，即在这些频段的振幅可以无阻碍地通过滤波器，这些频带为通带。X(jw)和H(jw)的乘积在频段响应为0的那些频段的值不管X(jw)大小如何均为零，即在这些频段里的振幅不能通过滤波器，这些频带称为阻带。 一个合适的数字滤波器系统函数H(Z)可以根据需要输入x(n)的频率特性，经数字滤波器处理后的信号y(n)保留信号x(n)中的有用频率成分，去除无用频率成分。 3、巴特沃斯滤波器设计原理 （1）基本性质 巴特沃斯滤波器以巴特沃斯函数来近似滤波器的系统函数。巴特沃斯滤波器是根据幅频特性在通频带内具有最平坦特性定义的滤波器。 巴特沃思滤波器的低通模平方函数表示1 () ΩΩ+ =Ωc N /22 a 11 ) (j H
数字信号发生器的设计 摘要 信号发生器也叫做振荡器或是信号源，在现在的科技生产实践中有着广泛而重要的应用。现在的特殊波形发生器在价格上不够经济，有些昂贵。而基于AT89C51单片机的函数信号发生器可以满足此要求。根据傅里叶变换，各种波形均可以用三角函数的相关式子表示出来。函数信号发生器能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波、方波和正弦波。 本文通过在单片机的外围加上键盘，控制波形的种类和输出频率的大小，加上LED 显示出相应信息。单片机输出为数字信号，于是在输出端用DAC0832进行D/A转换，再通过两级运放对波形进行调整。最终在示波器上显示出来。 关键词：信号发生器, AT89C51,D/A转换,波形调整
目录 1 绪论 (1) 1.1 课题研究背景 (1) 1.2波形介绍 (1) 2系统设计 (3) 2.1方案选择 (3) 2.2框图设计 (3) 2.3单片机模块 (4) 2.4按键控制与显示电路设计 (6) 2.5 D/A转换电路 (7) 2.6 显示电路 (9) 2.7 放大电路设计 (12) 2.8整体的电路原理图 (13) 2.9元件清单 (13) 3软件设计 (15) 3.1程序流程图 (15) 3.2程序代码 (15) 4系统仿真及调试 (18) 4.1系统仿真图 (18) 4.2系统调试 (19) 总结 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23)
1绪论 1.1课题研究背景 随着经济与科技不断发展，相应的测试仪器与手段也有了许多改善与提高，但是对之要求也不断提高。波形发生器的信号已知，使用者然后根据具体的要求，将其作为激励源，测得感兴趣的参数。信号源仿真各种测试信号，给待测电路，从而满足现实需求。信号发生器在仿真实验占有重要地位，对于测试仪器来说也同样不可缺少。因此对相关信号发生器的研究开发有着一定的意义。 传统的信号发生器电路复杂，控制灵活度不够，成本也相对较高。虽然我国所研制的波形发生器在一定程度上已有了一些成果，但与国外技术确实还存在一定差距，因此很有必要提高相关方面的研究。 利用单片机的控制灵活性，外设处理能力强等特点，实现频率与幅度可调的多种波形，这就克服了传统的缺点，具有良好的实用性。同时根据程序的易控制性，可以容易实现各种较复杂的调频调幅功能。 1.2波形介绍 正弦波，正弦信号可用如下形式表示 f (t)=A sin(ωt+θ) （1） 其中，A 为振幅，ω是角频率，θ为初相位。正弦函数为一周期信号如下图1所示： 图1正弦波 ·方波 方波函数是我们常用且所熟知的简单波形函数，做脉冲等，其表示形式如下：
实验五：FIR数字滤波器设计与软件实现 一、实验指导 1．实验目的 （1）掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （2）掌握用等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理和方法。 （3）掌握FIR滤波器的快速卷积实现原理。 （4）学会调用MATLAB函数设计与实现FIR滤波器。 2．实验容及步骤 （1）认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计FIR数字滤波器的原理； （2）调用信号产生函数xtg产生具有加性噪声的信号xt，并自动显示xt及其频谱，如图1所示； 图1 具有加性噪声的信号x(t)及其频谱如图 （3）请设计低通滤波器，从高频噪声中提取xt中的单频调幅信号，要求信号幅频失真小于0.1dB，将噪声频谱衰减60dB。先观察xt的频谱，确定滤波器指标参数。 （4）根据滤波器指标选择合适的窗函数，计算窗函数的长度N，调用MATLAB函数fir1设计一个FIR低通滤波器。并编写程序，调用MATLAB快速卷积函数fftfilt实现对xt的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 （4）重复（3），滤波器指标不变，但改用等波纹最佳逼近法，调用MATLAB函数remezord 和remez设计FIR数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 提示：○1MATLAB函数fir1的功能及其调用格式请查阅教材； ○2采样频率Fs=1000Hz，采样周期T=1/Fs； ○3根据图1(b)和实验要求，可选择滤波器指标参数：通带截止频率fp=120Hz，阻带截
至频率fs=150Hz ，换算成数字频率，通带截止频率p 20.24p f ωπ=T =π，通带最大衰为0.1dB ，阻带截至频率s 20.3s f ωπ=T =π，阻带最小衰为60dB 。 ○ 4实验程序框图如图2所示，供读者参考。 图2 实验程序框图 4.思考题 (1)如果给定通带截止频率和阻带截止频率以及阻带最小衰减,如何用窗函数法设计线性相位低通滤波器?请写出设计步骤. (2)如果要求用窗函数法设计带通滤波器,且给定通带上、下截止频率为pl ω和pu ω，阻带上、下截止频率为sl ω和su ω，试求理想带通滤波器的截止频率cl cu ωω和。 （3）解释为什么对同样的技术指标，用等波纹最佳逼近法设计的滤波器阶数低？ 5．信号产生函数xtg 程序清单（见教材） 二、 滤波器参数及实验程序清单 1、滤波器参数选取 根据实验指导的提示③选择滤波器指标参数： 通带截止频率fp=120Hz ，阻带截至频率fs=150Hz 。代入采样频率Fs=1000Hz ，换算成数字频率，通带截止频率p 20.24p f ωπ=T =π，通带最大衰为0.1dB ，阻带截至频率
IIR 数字滤波器设计原理 利用双线性变换设计IIR 滤波器（只介绍巴特沃斯数字低通滤波器的设计），首先要设计出满足指标要求的模拟滤波器的传递函数)(s H a ，然后由)(s H a 通过双线性变换可得所要设计的IIR 滤波器的系统函数)(z H 。 如果给定的指标为数字滤波器的指标，则首先要转换成模拟滤波器的技术指标，这里主要是边界频率 s p w w 和的转换，对s p αα和指标不作变化。边界频率的转换关系为)21tan(2w T =Ω。接着，按照模拟低通滤波器的技术指标根据相应 设计公式求出滤波器的阶数N 和dB 3截止频率c Ω；根据阶数N 查巴特沃斯归一 化低通滤波器参数表，得到归一化传输函数 )(p H a ；最后，将c s p Ω=代入)(p H a 去归一，得到实际的模拟滤波器传输函数)(s H a 。之后，通过双线性变换法转换公式 11 112--+-=z z T s ，得到所要设计的IIR 滤波器的系统函数)(z H 。 步骤及内容 1) 用双线性变换法设计一个巴特沃斯IIR 低通数字滤波器。设计指标参数为： 在通带内频率低于π2.0时，最大衰减小于dB 1；在阻带内[]ππ,3.0频率区间上，最小衰减大于dB 15。 2) 以π02.0为采样间隔，绘制出数字滤波器在频率区间[]2/,0π上的幅频响应特 性曲线。 3) 程序及图形 程序及实验结果如下： %%%%%%%%%%%%%%%%%%
%iir_1.m %lskyp %%%%%%%%%%%%%%%%%% rp=1;rs=15; wp=.2*pi;ws=.3*pi; wap=tan(wp/2);was=tan(ws/2); [n,wn]=buttord(wap,was,rp,rs,'s'); [z,p,k]=buttap(n); [bp,ap]=zp2tf(z,p,k); [bs,as]=lp2lp(bp,ap,wap); [bz,az]=bilinear(bs,as,.5); [h,f]=freqz(bz,az,256,1); plot(f,abs(h)); title('双线性z 变换法获得数字低通滤波器，归一化频率轴'); xlabel('\omega/2\pi'); ylabel('低通滤波器的幅频相应');grid; figure; [h,f]=freqz(bz,az,256,100); ff=2*pi*f/100; absh=abs(h); plot(ff(1:128),absh(1:128)); title('双线性z 变换法获得数字低通滤波器,频率轴取[0,\pi/2]'); xlabel('\omega'); ylabel('低通滤波器的幅频相应');grid on; 运行结果： 00.050.10.150.20.25 0.30.350.40.450.500.1 0.2 0.3 0.40.50.60.70.8 0.9 1 双线性z 变换法获得数字低通滤波器，归一化频率轴 ω/2π低通滤波器的幅频相应
目录 目录 0 前言 (1) 1.1数字滤波器简介 (1) 1.2使用数字滤波器的原因 (1) 1.3设计的原理和内容 (1) 工程概况 (2) 正文 (2) 3.1 设计的目的和意义 (2) 3.2 目标和总体方案 (2) 3.3 设计方法和内容 (3) 3.4 硬件环境 (3) 3.5软件环境 (3) 3.6IIR数字滤波器设计思路 (3) 3.7 IIR数字滤波器的设计流程图 (3) 3.8 IIR数字滤波器设计思路 (4) 3.9设计IIR数字滤波器的两种方法 (4) 3.10双线性变换法的基本原理 (5) 3.11用双线性变换法设计IIR数字滤波器的步骤 (6) 3.12程序源代码和运行结果 (6) 3.12.1低通滤波器 (6) 3.12.3带通滤波器 (10) 3.12.4带阻滤波器 (13) 3.13结论 (15) 3.13.1存在的问题 (15) 3.13.2解决方案 (16) 致谢 (16)
参考文献 (16) 前言 1.1数字滤波器简介 数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。可以设计系统的频率响应，让它满足一定的要求，从而对通过该系统的信号的某些特定的频率成分进行过滤，这就是滤波器的基本原理。如果系统是一个连续系统，则滤波器称为模拟滤波器。如果系统是一个离散系统，则滤波器称为数字滤波器。 信号通过线性系统后，其输出信号就是输入信号和系统冲激响应的卷积。从频域分析来看，信号通过线性系统后，输出信号的频谱将是输入信号的频谱与系统传递函数的乘积。除非为常数，否则输出信号的频谱将不同于输入信号的频谱，某些频率成分较大的模，因此，中这些频率成分将得到加强，而另外一些频率成分的模很小甚至为零，中这部分频率分量将被削弱或消失。因此，系统的作用相当于对输入信号的频谱进行加权。 1.2使用数字滤波器的原因 数字滤波器具有比模拟滤波器更高的精度，甚至能够实现后者在理论上也无法达到的性能。数字滤波器相比模拟滤波器有更高的信噪比。数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。根据其冲击响应函数的时域特性可将数字滤波器分为IIR（有限长冲击响应）和FIR（无限长冲击响应）。 1.3设计的原理和内容 在windows环境下进行语言信号采集，通过IIR数字滤泼器的设计，数字带滤波器就是用软件来实现上面的滤波过程，可以很好的克服模拟滤波器的缺点，数字带滤波器的参数一旦确定，就不会发生变化。IIR型有较好的通带与阻带特性，所以，在一般的设计中选用IIR 型。IIR型又可以分成Butterworth型滤波器，ChebyshevII型滤波器和椭圆型滤波器等。 IIR数字滤波器的设计一般是利用目前已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，通常采用模拟滤波器原型有butterworth函数、chebyshev函数、bessel函数、椭圆滤波器函数等。 IIR数字滤波器的设计步骤： （1）按照一定规则把给定的滤波器技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标； （2）根据模拟滤波器技术指标设计为响应的模拟低通滤波器； （3）很据脉冲响应不变法和双线性不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器；
目录 1. 数字滤波器的设计任务及要求 (2) 2. 数字滤波器的设计及仿真 (2) 2.1数字滤波器的设计 (3) 2.2数字滤波器的性能分析 (3) 3. 数字滤波器的实现结构对其性能影响的分析 (8) 3.1数字滤波器的实现结构一及其幅频响应 (10) 3.2数字滤波器的实现结构二及其幅频响应 (12) 3.3 数字滤波器的实现结构对其性能影响的小结 (12) 4. 数字滤波器的参数字长对其性能影响的分析 (13) 4.1数字滤波器的实现结构一参数字长及幅频响应特性变化 4.2数字滤波器的实现结构二参数字长及幅频响应特性变化 4.3 数字滤波器的参数字长对其性能影响的小结 (16) 5. 结论及体会 (16) 5.1 滤波器设计、分析结论 (16) 5.2 我的体会 (16) 5.3 展望 (16)
1.数字滤波器的设计任务及要求 1. 设计说明 每位同学抽签得到一个四位数，由该四位数索引下表确定待设计数字滤波器的类型及其设计方法，然后用指定的设计方法完成滤波器设计。 要求：滤波器的设计指标： 低通： (1)通带截止频率πrad (id) pc 32 ln = ω (2)过渡带宽度πrad ) (i d 160 10log tz ≤?ω (3)滚降dB αroll 60= 其中，i d — 抽签得到那个四位数（学号的最末四位数），本设计中i d =0201。 2. 滤波器的初始设计通过手工计算完成； 3. 在计算机辅助计算基础上分析滤波器结构对其性能指标的影响（至少选择两种以上合适的滤波器 结构进行分析）； 4. 在计算机辅助计算基础上分析滤波器参数的字长对其性能指标的影响； 5. 以上各项要有理论分析和推导、原程序以及表示计算结果的图表； 6. 课程设计结束时提交设计说明书。 2.数字滤波器的设计及仿真 2.1数字滤波器（编号0201）的设计 数字滤波器是数字信号处理的重要工具之一，它通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤出某些频率成分的数字器件或程序，而数字滤波器处理精度高、体积小、稳定、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。 本次课程设计使用MATLAB 信号处理箱和运用切比雪夫法设计数字滤波器，将手工计算一个切比雪夫I 型的IIR 的低通模拟滤波器的系统函数，并在MATLAB 的FDATool 设计工具分析其性能指标。
《综合电子技术》 课程设计指导书 四位数字显示函数信号发生器 的设计和制作 汤栋王尧编 三江大学 电气工程与自动化学院 二OO七年十二月
、设计目的
在《模拟电子技术》和《数字电子技术》课程学习和实验的基础上 ，通过《综合 电子技术》课程设计，使学生在电子技术基础知识和设计、调试能力方面达到以下要 求： 1. 进一步加深理解电子线路基本功能单元的工作原理及其电路设计、参数选择方 法； 2. 学会绘制电路原理图、接线图，学会正确安装、调试并排除常见故障； 3. 熟悉示波器、信号发生器、稳压电源及晶体管毫伏表的正确使用，重点要求学会 使用示波器观测信号波形、幅值。 二、 设计任务 设计一个能输出正弦波、锯齿波、矩形波等信号频率，并能数字显示（四位）频率的 多波形函数发生器。 三、 技术指标 该波形发生器的主要技术指标如下： 1. 可输出正弦波、锯齿波（含三角波）、矩形波（含方波）等波形； 2. 输出信号频率范围：1HZ~9999H 并能四位数码显示。 四、 系统框图和各功能单元介绍及要求 1. 系统框图：本设计为一具有四位数字显示频率的函数发生器，其系统框图如下： 图一系统框图 2. 各单元电路及要求: 1) 电源部分 设计一组土 1.2V ?土 20V 可调直流稳压电源 2) 信号源部分 正弦波信号源： 叵洼稳压电煩 士 I2V 正弦信号濒 T 柜形渡墙号腫T *输出，正弦疲 f\f\
输出正弦电压频率f o=1KHZ f o=1OKHZ M档； 输出正弦电压V O(有效值)0.5V?5V可调；输出直流偏移电压范围:O?± 3V； 矩形波信号源 输出矩形波电压频率：1KHZ、10KHZ两档；输出矩形波电压幅值: ± 5V；输出矩形波电压直流偏移电压范围： 0 ?± 3V； 锯齿波信号源 锯齿波频率：1KHZ、10KHZ两档；锯齿波电压幅值：± 4V；可输出正反向锯齿波及三角波； 3)秒信号源：产生周期为一秒的方波信号，作为测控时基信号。 4)控制单位：产生一系列顺序脉冲，用作计数，保持，显示和复位控制，使频率计按时序 正常工作。 5)偏移放大、整形电路：将输入正弦波、三角波等被测信号变换为方波脉冲序列，以便测 量其频率。 6)计数闸门：用于产生一秒钟内的被测信号脉冲个数，便于后面电路计数显示。 7)计数、译码、驱动和显示电路：在控制电路产生的顺序脉冲控制下，周期性地计数和显 示被测信号频率。 3. 选做部分 1 )频率显示时间延长； 2)加秒信号输出功能； 3)溢出指示。 五、设计要求 1．选择各部分电路结构，按上列指示要求，设计计算有关电路各参数，并最终选出元器件；2．画出各部分电路原理图及接线图，列出各电路元器件的明细表。（注意电路图中各元器件统一编号）； 3．在原理图上标明各级电路预期的输出波形及测量值，并在接线图上选定测试点； 六、调试要求 1.列出各部分电路调试过程并自拟数据表格和所需测试的有关波形，做详细记录。 2.记录调试过程中出现的故障，经过分析并提出解决的办法。
IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 掌握冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理和方法； 观察冲激相应不变法和双线性变换法设计IIR数字滤波器的频率特性； 了解冲激相应不变法和双线性变换法的特点和区别。 二、实验原理： 无限长单位冲激响应（IIR）数字滤波器的设计思想： a)设计一个合适的模拟滤波器 b)利用一定的变换方法将模拟滤波器转换成满足预定指 标的数字滤波器 切贝雪夫I型：通带中是等波纹的，阻带是单调的
切贝雪夫II型：通带中是单调的，阻带是等波纹的 1．用冲击响应不变法设计一个低通切贝雪夫I型数字滤波器通带上限截止频率为400Hz 阻带截止频率为600Hz 通带最大衰减为0.3分贝 阻带最小衰减为60分贝 抽样频率1000Hz 2．用双线性变换法设计切贝雪夫II型高通滤波器 通带截止频率2000Hz 阻带截止频率1500Hz 通带最大衰减0.3分贝 阻带最小衰减50分贝 抽样频率20000Hz 四、实验程序：
1） Wp=2*pi*400; Ws=2*pi*600; Rp=0.3; Rs=60; Fs=1000; [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs,'s'); [Z,P,K]=cheb1ap(N,Rp); [A,B,C,D]=zp2ss(Z,P,K); [At,Bt,Ct,Dt]=lp2lp(A,B,C,D,Wn); [num1,den1]=ss2tf(At,Bt,Ct,Dt); [num2,den2]=impinvar(num1,den1,Fs); [H,W1]=freqs(num1,den1); figure(1) subplot(2,1,1); semilogx(W1/pi/2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz'); ylabel(' 模拟滤波器幅值(db)'); [H,W2]=freqz(num2,den2,512,'whole',Fs); subplot(2,1,2); plot(W2,20*log10(abs(H)));grid; xlabel(' 频率/ Hz');
东北大学 研究生考试试卷 考试科目： 课程编号： 阅卷人: 考试日期： 姓名：xl 学号： 注意事项 1.考前研究生将上述项目填写清楚. 2.字迹要清楚,保持卷面清洁. 3.交卷时请将本试卷和题签一起上交. 4.课程考试后二周内授课教师完成评卷工作,公共课成绩单与试卷交研究生院培养办公室, 专业课成绩单与试卷交各学院,各学院把成绩单交研究生院培养办公室. 东北大学研究生院培养办公室
数字滤波器设计 技术指标： 通带最大衰减： =3dB ， 通带边界频率： ＝100Hz 阻带最小衰减： ＝20dB 阻带边界频率： ＝200Hz 采样频率：Fs=200Hz 目标： 1、根据性能指标设计一个巴特沃斯低通模拟滤波器。 2、通过双线性变换将该模拟滤波器转变为数字滤波器。 原理： 一、模拟滤波器设计 每一个滤波器的频率范围将直接取决于应用目的，因此必然是千差万别。为了使设计规范化，需要将滤波器的频率参数作归一化处理。设所给的实际频 率为Ω（或f ），归一化后的频率为λ，对低通模拟滤波器令λ＝p ΩΩ/，则1 =p λ， p s s ΩΩ=/λ。令归一化复数变量为p ，λj p =，则p p s j j p Ω=ΩΩ==//λ。所以巴 特沃思模拟低通滤波器的设计可按以下三个步骤来进行。 (1)将实际频率Ω规一化 (2)求Ωc 和N 11010/2-=P C α s p s N λααlg 1 10 110lg 10 /10/--= 这样Ωc 和N 可求。 p x fp s x s f
根据滤波器设计要求＝3dB ，则C ＝1，这样巴特沃思滤波器的设计就只剩一个参数N ，这时 N p N j G 222 )/(11 11)(ΩΩ+= += λλ (3)确定)(s G 因为λj p =，根据上面公式有 N N N p j p p G p G 22)1(11 )/(11)()(-+= += - 由 0)1(12=-+N N p 解得 )221 2exp(πN N k j p k -+=，k ＝1，2， (2) 这样可得 1 )21 2cos(21 ) )((1 )(21+-+-= --= -+πN N k p p p p p p p G k N k k 求得)(p G 后，用p s Ω/代替变量p ，即得实际需要得)(s G 。 二、双线性变换法 双线性变换法是将s 平面压缩变换到某一中介1s 平面的一条横带里，再通过标准变换关系)*1exp(T s z =将此带变换到整个z 平面上去，这样就使s 平面与z 平面之间建立一一对应的单值关系，消除了多值变换性。 为了将s 平面的Ωj 轴压缩到1s 平面的1Ωj 轴上的pi -到pi 一段上，可以通过以下的正切变换来实现： )21 tan(21T T Ω= Ω 这样当1Ω由T pi -经0变化到T pi 时，Ω由∞-经过0变化到∞+，也映射到了整个Ωj 轴。将这个关系延拓到整个s 平面和1s 平面，则可以得到
数字信号处理 数字滤波器的设计 学院计算机与电子信息学院 专业电子信息科学与技术班级电子１5－2 班姓名学号 指导教师刘利民
数字滤波器的设计 一、模拟低通滤波器的设计方法 1、B ｕtterw ｏrth 滤波器设计步骤： ⑴。确定阶次N ① 已知Ωc 、Ωs 和As 求Bu ｔt ｅr ｗｏrth DF 阶数N ② 已知Ωc 、Ωs 和Ω=Ωp （3dB p Ω≠-)的衰减A ｐ 求Bu ｔterwort ｈ DF 阶数N ③ 已知Ωｐ、Ωｓ和Ω=Ωp 的衰减A ｐ 和As 求B ｕtte ｒwo ｒth DF 阶数Ｎ /10 /1022(/)101,(/)101p s A A N N p c s c ΩΩ=-ΩΩ=-则：
⑵.用阶次N 确定 ()a H s 根据公式： 1,2,2N ()()a a H s H s -在左半平面的极点即为()a H s 的极点，因而 2,,N 2、切比雪夫低通滤波器设计步骤: ⑴.确定技术指标p Ω p α s Ω s α 归一化： /1p p p λ=ΩΩ= /s s p λ=ΩΩ ⑵．根据技术指标求出滤波器阶数N 及ε: 0.12 10 1δε=- p δα= ⑶.求出归一化系统函数 其中极点由下式求出:
或者由N 和Ｓ直接查表得()a H p 二、数字低通滤波器的设计步骤: 1、 确定数字低通滤波器的技术指标：通带截止频率p ω、通带最大衰减系数 p α、 阻带截止频率ω、阻带最小衰减系数s α。 2、 将数字低通滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标。 巴特沃斯： 切比雪夫：/s s p λ=ΩΩ 0.1210 1δ ε=- p δα=
1 引言 信号发生器又称信号源或者振荡器，它是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器，在生产实践和科技领域有着广泛的应用。信号发生器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其他仪表测量感兴趣的参数。信号发生器在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学领域内，在实验室和设备检测中具有十分广泛的用途。 信号发生器是一种悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。到70年代处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大地促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。
信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具，它必然将向更高性能，更高精确度，更高智能化方向发展，就象现在在数字化信号发生器的崛起一样。但作为一种仪器，我们必然要考虑其所用领域，也就是说要因地制宜，综合考虑性价比，用低成本制作的集成芯片信号发生器短期内还不会被完全取代，还会比较广泛的用于理论实验以及精确度要求不是太高的实验。因此完整的函数信号发生器的设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。 2 数字信号发生器的系统总述 2.1 系统简介 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。 本设计以AT89C52[1]单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发生器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制，幅度的改变通过硬件实现。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。本系统主要包括CPU模块、显示模块、键盘输入模块、数模转换模块、波形输出模块。系统电路原理图见附录A，PCB （印制电路板）图见附录B。其中CPU模块负责控制信号的产生、变化及频率的改变；模数转换模块采用DAC0832实现不同波形的输出；显示模块采用1602液晶显示，实现波型和频率显示；键盘输入模块实
数字信号处理 实验报告 实验四 IIR数字滤波器的设计学生姓名张志翔 班级电子信息工程1203班 学号 指导教师 实验四 IIR数字滤波器的设计 一、实验目的： 1. 掌握双线性变换法及脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器的具体设 计方法及其原理，熟悉用双线性变换法及脉冲响应不变法设计低通、高通和带通IIR数字滤波器的MATLAB编程。 2. 观察双线性变换及脉冲响应不变法设计的滤波器的频域特性，了解双线性变换法及脉冲响应不变法的特点。 3.熟悉Butterworth滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器的频率特性。 二、实验原理: 1．脉冲响应不变法 用数字滤波器的单位脉冲响应序列模仿模拟滤波器的冲激响应 ,让正好等于的采样值，即，其中为采样间隔，如果以及分别表示的拉式变换及的Z变换，则 2．双线性变换法 S平面与z平面之间满足以下映射关系：
s平面的虚轴单值地映射于z平面的单位圆上，s平面的左半平面完全映射到z平面的单位圆内。 双线性变换不存在混叠问题。 双线性变换是一种非线性变换，这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预畸而得到校正。 三、实验内容及步骤： 实验中有关变量的定义: fc 通带边界频率； fr阻带边界频率；δ通带波动；At 最小阻带衰减； fs采样频率； T采样周期 （1） =0.3KHz, δ=0.8Db, =0.2KHz, At =20Db,T=1ms; 设计一个切比雪夫高通滤波器，观察其通带损耗和阻带衰减是否满足要求。 MATLAB源程序： wp=2*1000*tan(2*pi*300/(2*1000)); ws=2*1000*tan(2*pi*200/(2*1000)); [N,wn]=cheb1ord(wp,ws,0.8,20,'s'); %给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动波动0.8，阻带最小衰减20dB，求出最低阶数和通带滤波器的通带边界频率Wn [B,A]=cheby1(N,0.5,wn,'high','s');%给定通带（wp）和阻带(ws)边界角频率，通带波动 [num,den]=bilinear(B,A,1000); [h,w]=freqz(num,den); f=w/(2*pi)*1000; plot(f,20*log10(abs(h)));
燕山大学 课程设计说明书 题目：脉冲响应不变法设计数字低通滤波器 学院（系）：电气工程学院 年级专业：09级精密仪器及机械2班 学号： 0901******** 学生姓名：范程灏 指导教师：刘永红 教师职称：讲师
电气工程学院《课程设计》任务书 课程名称：数字信号处理课程设计 基层教学单位：仪器科学与工程系指导教师： 学号学生姓名（专业）班级设计题目7、脉冲响应不变法设计数字低通滤波器 设 计技术参数给定技术指标为：Hz f p 100 =，Hz f s 300 =，dB p 3 = α，dB s 20 = α，采样频率Hz F s 1000 =。 设 计 要 求 设计Butterworth低通滤波器，用脉冲响应不变法转换成数字滤波器。 参考资料数字信号处理方面资料MATLAB方面资料 周次前半周后半周 应完成内容收集消化资料、学习MA TLAB软件， 进行相关参数计算 编写仿真程序、调试 指导教师签字基层教学单位主任签字
目录 第1章前言 (3) 第2章数字信号处理部分基础知识 (3) 第3章 MATLAB部分基础知识 (8) 3.1 MATLAB介绍 (8) 3.2 MATLAB命令介绍 (8) 第4章仿真过程及仿真图 (9) 4.1 仿真程序 (9) 4.2 仿真波形 (10) 第5章设计结论 (10) 第6章参考文献 (11)
第一章 前言 《数字信号处理》课程设计是在学生完成数字信号处理和MATLAB 的结合后的基本实验以后开设的。本课程设计的目的是为了让学生综合数字信号处理和MATLAB 并实现一个较为完整的小型滤波系统。这一点与验证性的基本实验有本质性的区别。开设课程设计环节的主要目的是通过系统设计、软件仿真、程序安排与调试、写实习报告等步骤，使学生初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。 IIR 数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配，所以IIR 滤波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。其设计方法主要有经典设计法、直接设计法和最大平滑滤波器设计法。FIR 数字滤波器的单位脉冲响应是有限长序列。它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数问题，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。 第2章 数字信号处理基础知识部分 2.1巴特沃斯滤波器的幅度平方函数及其特点 巴特沃斯模拟滤波器幅度平方函数的形式是 )N c N c a j j j H 222 )/(11 )/(11ΩΩ+= ΩΩ+= Ω （5-6）
实验二:FIR 数字滤波器设计与软件实现 一、实验指导 1.实验目的 (1掌握用窗函数法设计 FIR 数字滤波器的原理和方法。 (2掌握用等波纹最佳逼近法设计 FIR 数字滤波器的原理和方法。 (3掌握 FIR 滤波器的快速卷积实现原理。 (4学会调用 MA TLAB 函数设计与实现 FIR 滤波器。 2. 实验内容及步骤 (1认真复习第七章中用窗函数法和等波纹最佳逼近法设计 FIR 数字滤波器的原理; (2调用信号产生函数 xtg 产生具有加性噪声的信号 xt ,并自动显示 xt 及其频谱,如图 1所示;
图 1 具有加性噪声的信号 x(t及其频谱如图 (3请设计低通滤波器,从高频噪声中提取 xt 中的单频调幅信号,要求信号幅频失真小于 0.1dB ,将噪声频谱衰减 60dB 。先观察 xt 的频谱,确定滤波器指标参数。 (4根据滤波器指标选择合适的窗函数,计算窗函数的长度 N ,调用 MATLAB 函数 fir1设计一个 FIR 低通滤波器。并编写程序,调用 MATLAB 快速卷积函数 fftfilt 实现对 xt 的滤波。绘图显示滤波器的频响特性曲线、滤波器输出信号的幅频特性图和时域波形图。 (5 重复 (3 , 滤波器指标不变, 但改用等波纹最佳逼近法, 调用MA TLAB 函数 remezord 和 remez 设计 FIR 数字滤波器。并比较两种设计方法设计的滤波器阶数。 提示:○ 1MA TLAB 函数 fir1的功能及其调用格式请查阅教材; ○ 2采样频率 Fs=1000Hz,采样周期 T=1/Fs;
○ 3根据图 1(b和实验要求,可选择滤波器指标参数:通带截止频率 fp=120Hz,阻带截 至频率 fs=150Hz, 换算成数字频率, 通带截止频率 p 20.24 p f ωπ =T=π, 通带最大衰为 0.1dB , 阻带截至频率 s 20.3 s f ωπ =T=π,阻带最小衰为 60dB 。 3、实验程序框图如图 2所示,供读者参考。 图 2 实验程序框图 4.信号产生函数 xtg 程序清单(见教材 二、滤波器参数及实验程序清单 1、滤波器参数选取 根据实验指导的提示③选择滤波器指标参数: 通带截止频率 fp=120Hz,阻带截至频率 fs=150Hz。代入采样频率 Fs=1000Hz,换算成 数字频率,通带截止频率 p 20.24 p f
DSP 设计滤波器报告 姓名：张胜男 班级：07级电信（1）班 学号：078319120 一·低通滤波器的设计 （一）实验目的：掌握IIR 数字低通滤波器的设计方法。 （二）实验原理： 1、滤波器的分类 滤波器分两大类：经典滤波器和现代滤波器。 经典滤波器是假定输入信号)(n x 中的有用成分和希望取出的成分各自占有不同的频带。这样，当)(n x 通过一个线性系统（即滤波器）后可讲欲去除的成分有效的去除。 现代滤波器理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录（又称时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。 经典滤波器分为低通、高通、带通、带阻滤波器。每一种又有模拟滤波器（AF ）和数字滤波器（DF ）。对数字滤波器，又有IIR 滤波器和FIR 滤波器。 IIR DF 的转移函数是： ∑∑=-=-+==N k k k M r r r z a z b z X z Y z H 10 1)()()( FIR DF 的转移函数是： ∑-=-=10)()(N n n z n h z H FIR 滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，而IIR 滤波器目前最通用的方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法进行设计。 2、滤波器的技术要求 低通滤波器： p ω：通带截止频率（又称通带上限频率） s ω：阻带下限截止频率 p α：通带允许的最大衰减 s α：阻带允许的最小衰减 （p α，s α的单位dB ） p Ω：通带上限角频率 s Ω：阻带下限角频率 （s p p T ω=Ω，s s s T ω=Ω）即 C p p F ωπ2=Ω C s s F ωπ2=Ω 3、IIR 数字滤波器的设计步骤：
EDA课程设计简易信号发生器的设计实现 小组成员：XXXXXX XXXXX 专业：XXXXX 学院：机电与信息工程学院指导老师：XXXXXX 完成日期：XX年XX月XX日
目录 引言 (3) 一、课程设计内容及要求 (3) 1、设计内容 (3) 2、设计要求 (3) 二、设计方案及原理 (3) 1、设计原理 (3) 2、设计方案 (4) （1）设计思想 (4) （2）设计方案 (4) 3、系统设计 (5) （1）正弦波产生模块 (5) （2）三角波产生模块 (6) （3）锯齿波产生模块 (6) （4）方波产生模块 (6) （5）波形选择模块 (6) （6）频率控制模块 (6) （7）幅度控制模块 (6) （8）顶层设计模块 (7) 三、仿真结果分析 (7) 波形仿真结果 (7) 1、正弦波仿真结果 (7) 2、三角波仿真结果 (8) 3、锯齿波仿真结果 (8) 4、方波仿真结果 (8) 5、波形选择仿真结果 (9) 6、频率控制仿真结果 (9) 四、总结与体会 (10) 五、参考文献 (10) 六、附录 (11)
简易信号发生器 引言 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广范的应用。它能够产生多种波形，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等，在电路实验和设备检验中有着十分广范的应用。 本次课程设计采用FPGA来设计多功能信号发生器。 一、课程设计内容及要求 1、设计内容 设计一个多功能简易信号发生器 2、设计要求 （1）完成电路板上DAC的匹配电阻选择、焊接与调试，确保其能够正常工作。 （2）根据直接数字频率合成（DDFS）原理设计正弦信号发生器，频率步进1Hz，最高输出频率不限，在波形不产生失真（从输出1KHz正弦转换为输出最高频率正弦时，幅度衰减不得大于10%）的情况下越高越好。频率字可以由串口设定，也可以由按键控制，数码管上显示频率傎。 （3）可以控制改变输出波形类型，在正弦波、三角波、锯齿波、方波之间切换。 （4）输出波形幅度可调，最小幅度步进为100mV。 二、设计方案及原理 1、设计原理 （1）简易信号发生器原理图如下