计算机控制实验数字滤波器

计算机控制技术实验报告实验一 信号的采样与保持一、实验目的1．熟悉信号的采样和保持过程。

2．学习和掌握香农(采样)定理。

3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

二、实验设备PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（max ωω<）的连续信号)(t f 进行采样，当采样频率满足max 2ωω≥s 时，则采样函数)(t f *能无失真地恢复到原来的连续信号)(t f 。

m ax ω为信号的最高频率，s ω为采样频率。

四．实验内容1．采样与保持编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。

实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

图2-1 采样保持线路图控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1#定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。

正弦波单元的“OUT ”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms ），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。

由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。

采样周期T= TK×10ms，TK 的范围为01~ FFH ，通过修改TK 就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。

零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。

图2-2 零阶采样保持程序流程图实验步骤：（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。

（2）按照实验线路图2-1接线，检查无误后开启设备电源。

（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT ”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT ”端输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

学院：********** 班级：********** 姓名：****** 学号：**********实验二 数字滤波实验项目名称：数字滤波 实验项目性质：普通所属课程名称：计算机控制技术 实验计划学时：2学时一、实验目的1．通过实验熟悉数字滤波器的实现方法； 2．研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。

二、实验内容和要求1．设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路； 2．设计并调试一阶数字滤波器； 3．设计并调试高阶数字滤波器。

4、实验原理1）在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。

数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。

一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。

一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：∑∑==-+-=Ni i N i i i n y b i n x a n y 0)()()(2）一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 11)()()(+==s s X s Y s G F τ（τ=RC ） 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法： )1()1()()(--+=k y T k x T k y SSττ其中T S 为采样周期，τ为滤波器的时间常数。

T S 和τ应根据信号的频谱来选择。

3．高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：)3()2()1()()(4321-+-+-+=K x A K x A K x A K x A K y其中权系数i A 满足：∑==411i iA。

同样，i A 也根据信号的频谱来选择。

三、实验主要仪器设备和材料1．THTJ-1型计算机控制技术实验箱2．THVLW-1型USB数据采集卡一块(含37芯通信线、USB电缆线各1根)3．PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”)四、实验方法、步骤及结果测试1、实验接线及准备1.1启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；1.2打开实验箱“电源总开关”，按图1接线，先将“信号发生器”单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道,并选择方波输出。

实验7窗函数法设计FIR数字滤波器一、实验目的掌握窗函数法设计F1R数字滤波器的原理和具体方法二、实验设备与环境计算机、Mat1ab软件环境三、实验基础理论1>基本原理窗函数设计法的基本思想为，首先选择一个适当的理想的滤波器Hd(,3),然后用窗函数截取它的单位脉冲响应％(九)，得到线性相位和因果的FIR滤波器，这种方法的重点是选择一个合适的窗函数和理想滤波器,使设计的滤波器的单位脉冲响应逼近理想滤波器的单位脉冲响应。

2、设计步骤(1)给定理想滤波器的频率响应Hd("3),在通带上具有单位增益和线性相位，在阻带上具有零响应。

一个带宽为g(3c<Tr)的低通滤波器由下式给定h(e j^=(eW∣ω∣≤ωc虱)一1Oωc<∣ω∣<π其中α为采样延迟，其作用是为了得到因果的系统。

(2)确定这个滤波器的单位脉冲响应为了得到一个h(n)长度为N的因果的线性相位FIR滤波器，我们令N-Ia=-2-(3)用窗函数截取hd(τι)得到所设计FIR数字滤波器h(n)h(n)=h d(n)w(n)3、窗函数的选择常用的窗函数有矩形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、凯瑟窗等。

Mat1ab提供了一些函数用于产生窗函数，如下表所示：在设计过程中我们需要根据给定的滤波器技术指标,选择滤波器长度N 和窗函数3(n)°表7.2列出了常用的窗函数的一些特性，可供设计时参考。

其中幻是修正的零阶贝塞尔函数，参数B 控制最小阻带衰减，这种窗函数对于相同的N 可以提供不同的过渡带宽。

由于贝塞尔函数比较更杂，这种窗函数的设计方程很难推导,然而幸运的是，有一些经验设计方程可以直接使用。

已知给定的指标叫Msc,Rp 和4,滤波器长度N 和凯瑟窗参数B 可以按如下凯瑟窗设计方程给出过渡带宽：∆ω=ωst -ωp入一7.95 2.285∆ω_(0.1102(4-8.7) ,P=iθ.5842(4-21)04+0.07886(4-21), 四、实验内容1、设计一个数字低通FIR 滤波器，其技术指标如下ωp =0.2τr,RP=0.25dBωst =0.3τr,A s =50dB分别采用矩形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、凯瑟窗设计该滤波器。

数字信号处理报告IIR数字滤波器上海理工大学教师：苏湛组员：王世豪徐骞刘新2016.1.4一、实验简介Butterworth 和Chebyshev 低通滤波器方法：1) 根据性能参数，先设计一个模拟滤波器，按照一定的算法转换为满足预定指标的数字滤波器。

利用模拟原型滤波器的逼近算法和特性。

2）计算机辅助设计，从统计概念出发，对所要提取的有用信号从时域进行估计，在统计指标最优的意义下，使得估计值最优逼近有用信号，减弱或消除噪声。

1）Butterworth 低通滤波器 1 幅频特性：21|()|1()a NcH j Ω=Ω+Ω，其中N 为滤波器的阶数，c Ω为通带截止频率。

在Ω=0处，有最大值|(0)|1a H =；2）在通带截止频率c Ω=Ω处，不同阶次的幅频量值都相同，即为|()|0.707|(0)|a a H j H Ω=；3）阶数N 增加时，通带幅频特性变平，阻带衰减更快，逐渐趋近于理想滤波器的幅频特性。

幅频特性通常用衰减函数1020log |()/(0)|a a H j H α=-Ω描述。

分贝（dB ） 2 极点一共有2N 个，并且以圆点为对称中心成对的出现。

21()22k j N k c s eππ-+=Ω k=1,2,…,N系统函数：122()()()()N a c N KH s K s s s s s s ==Ω--- …3 通带衰减函数p α、阻带衰减函数s α　和系统幅频特性20log |()|a H j -Ω的关系：10p 20log |()|a p H j α-Ω≤Ω≤Ω p Ω为通带截止频率 10s 20log |()|a s H j α-Ω≥Ω≥Ω s Ω为阻带截止频率4 阶数N 0.10.11010log [(101)/(101)]2log (/)p s p s N αα----≥ΩΩ5 通带截止频率c Ω 0.10.11/21/2(101)(101)ps psc NNαα--ΩΩΩ==--确定了滤波器的阶数N 和通带截止频率c Ω，就可以求出系统的极点，从而求出系统函数()a H s ，这样就完成了Butterworth 低通滤波器的设计。

数字滤波器实验总结数字滤波器实验总结一、引言数字滤波器是在数字信号处理中广泛应用的一种工具，它可以对信号进行滤波，去除噪声或者选择特定频率范围内的信号。

数字滤波器的设计和实现是数字信号处理课程中重要的一部分。

本次实验通过使用Matlab软件，设计并实现了数字滤波器。

二、实验目的1. 了解数字滤波器的基本原理；2. 熟悉数字滤波器的设计与实现。

三、实验流程1. 设计一个低通滤波器并实现其频率响应函数；2. 利用设计好的低通滤波器对输入信号进行滤波；3. 设计一个高通滤波器并实现其频率响应函数；4. 利用设计好的高通滤波器对输入信号进行滤波。

四、实验结果1. 低通滤波器的设计与实现通过设计巴特沃斯低通滤波器，我成功实现了低通滤波器的频率响应函数。

通过调整滤波器的阶数和截止频率，我可以控制滤波器的响应特性。

在实验中，我将截止频率设置为500Hz，滤波器的阶数为4，实现了对输入信号的低通滤波。

实验结果表明，滤波器可以有效地去除高频噪声，得到了一幅清晰的信号。

2. 高通滤波器的设计与实现通过设计巴特沃斯高通滤波器，我成功实现了高通滤波器的频率响应函数。

通过调整滤波器的阶数和截止频率，我可以控制滤波器的响应特性。

在实验中，我将截止频率设置为200Hz，滤波器的阶数为2，实现了对输入信号的高通滤波。

实验结果表明，滤波器可以有效地去除低频噪声，突出了输入信号的高频成分。

五、实验总结通过本次实验，我对数字滤波器的原理、设计和实现有了深刻的了解。

实验中，我成功设计并实现了一个低通滤波器和一个高通滤波器，并对输入信号进行了滤波处理。

通过调整滤波器的参数，我控制了滤波器的频率响应，实现了不同类型的滤波效果。

实验结果表明，数字滤波器可以有效地去除噪声，提取感兴趣的信号成分，具有较好的滤波效果。

然而，在实验过程中也遇到了一些问题。

首先，我对滤波器的阶数和截止频率的选择不够理智，需要进一步学习理论知识，优化滤波器的设计。

其次，Matlab软件的使用也存在一定的困难，需要加强对软件的学习和理解。

数字滤波器原理
数字滤波器是一种利用数字信号处理技术对数字信号进行滤波处理的电子设备或算法。

它的原理是基于信号的时域或频域特性进行滤波操作，通过改变信号的频谱特征，实现对信号中的某些频率成分的增强或抑制。

数字滤波器主要由滤波器系数和滤波器结构两部分组成。

滤波器系数决定了滤波器的频率响应，而滤波器结构则决定了滤波器的实现方式。

常见的数字滤波器结构有有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。

FIR滤波器是一种线性相位滤波器，它的特点是稳定性好、易
于设计和实现。

FIR滤波器通过滤波器系数的加权和来计算输
出信号，这些系数可以通过窗函数或频率采样等方法进行设计。

FIR滤波器具有零相位特性，不会引入额外的相位延迟。

IIR滤波器是一种非线性相位滤波器，它的特点是具有更窄的
过渡带和更陡峭的滚降特性。

IIR滤波器通过反馈回路来实现，它的输出信号是当前输入信号和过去输出信号的加权和。

IIR
滤波器的设计较为复杂，需要考虑稳定性和振荡等问题。

数字滤波器的设计可以通过滤波器设计软件或者手动计算滤波器系数来完成。

一般的设计流程包括确定滤波器的类型和性能要求、选择滤波器结构、计算滤波器系数、进行模拟和数字滤波器的验证。

数字滤波器在信号处理领域有着广泛的应用。

它可以用于音频
处理、图像处理、无线通信、生物信号处理等各个领域。

通过选择不同类型的数字滤波器和调整滤波器参数，可以实现对信号的去噪、频率选择、频率响应均衡等功能，提高信号质量和提取需要的信息。

实验五数字滤波器实验 The following text is amended on 12 November 2020.实验五数字滤波器实验一、实验目的1.研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。

2.熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法3.掌握数字滤波器的设计方法。

4.了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。

二、实验仪器1.EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台。

2.PC计算机一台。

三、实验内容1.需要加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数（1）实验电路（2）系统开环传递函数（3）系统闭环结构图（4）数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传递函数：（T1S+1）/（T2S+1）2.需加入串联滞后校正系统电路及传递函数（1）实验电路（2）系统开环传递函数（3）系统闭环结构图（4）数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传递函数：（T1S+1）/（T2S+1）四、实验步骤1.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续，如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

超前校正3.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波]，鼠标单击运行按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验的结果，并记录超调量和调节时间。

6.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

7.在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波]，鼠标单击运行按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验的结果，并记录超调量和调节时间。

数字滤波器工作原理数字滤波器是数字信号处理中常用的一种工具，用于对数字信号进行滤波处理，去除噪声、调整信号频率等。

数字滤波器的工作原理可以简单理解为对输入信号进行加权求和的过程，通过设计不同的滤波器结构和参数，实现不同的信号处理效果。

1. 数字滤波器分类数字滤波器主要分为两类：有限冲激响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器。

FIR滤波器的输出仅依赖于输入信号的有限历史数据，具有稳定性和线性相位特性；而IIR滤波器的输出不仅取决于输入信号，还受到输出以前的反馈数据的影响，其性能灵活但需要对滤波器的稳定性进行仔细设计。

2. FIR数字滤波器FIR滤波器是一种线性时不变系统，其核心是线性组合和延迟操作。

以一维离散信号为例，FIR滤波器对输入信号进行加权求和，利用滤波器的系数和输入信号的延迟版本进行计算，从而得到输出信号。

FIR滤波器常用于需要精确控制频率响应和相位特性的应用。

3. IIR数字滤波器IIR滤波器采用递归结构，其中输出不仅与当前输入有关，还依赖于过去的输出。

IIR 滤波器的反馈机制可以实现比FIR滤波器更高阶的滤波效果，但也容易引入不稳定性和非线性相位特性。

设计IIR滤波器需要谨慎考虑系统的稳定性和滤波效果的均衡。

4. 数字滤波器设计数字滤波器的设计通常包括滤波器类型选择、频率响应设计和系数计算等步骤。

通过在频域和时域之间进行转换，可以实现对信号的频率选择性滤波。

常见的设计方法包括窗函数法、频率采样法、最小均方误差法等，在设计过程中需要考虑滤波器的性能指标和工程应用需求。

5. 数字滤波器应用数字滤波器在信号处理领域有着广泛的应用，如音频处理、图像处理、通信系统等。

通过合理选择滤波器类型和参数，可以实现信号去噪、信号增强、频率选择等功能。

在实际工程中，工程师们经常根据具体的应用要求设计并优化数字滤波器，以提高系统性能和准确度。

结语数字滤波器作为数字信号处理的重要工具，具有广泛的应用前景和研究价值。