計算機控制實驗二數(shù)字濾波

1、學院：* 班級：* 姓名：* 學號：*實驗二 數(shù)字濾波實驗項目名稱：數(shù)字濾波實驗項目性質(zhì)：普通所屬課程名稱：計算機控制技術實驗計劃學時：2學時一、實驗目的1通過實驗熟悉數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法；2研究濾波器參數(shù)的變化對濾波性能的影響。二、實驗內(nèi)容和要求1設計一個帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號和正弦信號輸入的模擬加法電路；2設計并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；3設計并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。4、實驗原理1）在許多信息處理過程中，如對信號的濾波，檢測，預測等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中廣泛使用的一種線性環(huán)節(jié)，它從本質(zhì)上說是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定規(guī)則的運算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M希望輸出的數(shù)字序列。一般

2、可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種是用數(shù)字硬件來實現(xiàn)；另一種是用計算機的軟件編程來實現(xiàn)。一個數(shù)字濾波器，它所表達的運算可用差分方程來表示：2）一階數(shù)字濾波器及其數(shù)字化一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為 （=RC）利用一階差分法離散化，可以得到一階數(shù)字濾波器的算法： 其中TS為采樣周期，為濾波器的時間常數(shù)。TS和應根據(jù)信號的頻譜來選擇。3高階數(shù)字濾波器高階數(shù)字濾波器算法很多，這里只給出一種加權平均算法：其中權系數(shù)滿足：。同樣，也根據(jù)信號的頻譜來選擇。三、實驗主要儀器設備和材料1THTJ-1型計算機控制技術實驗箱2THVLW-1型USB數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、USB電纜線各1根)3PC機1臺(含上位機軟件

3、“THTJ-1”)四、實驗方法、步驟及結(jié)果測試1、實驗接線及準備1.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標THTJ-1，運行實驗軟件；1.2打開實驗箱“電源總開關”，按圖1接線，先將 “信號發(fā)生器”單元輸出端連接到采集卡的“AD1”通道,并選擇方波輸出。在虛擬示波器觀測方波信號的頻率和幅值，然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”電位器，使方波信號的頻率和幅值分別為4Hz，2V。然后斷開與采集卡的連接，將“信號發(fā)生器”單元輸出端連接到“尖脈沖單元”單元輸入端，產(chǎn)生一個尖脈沖信號Uo；1.3按圖2連接電路，其中正弦信號來自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”輸出端，尖脈沖信號來自“尖脈沖單元”單元輸出端。圖2的

4、輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的“AD1”輸入端相連，同時將數(shù)據(jù)采集卡的“DA2”輸出端與“AD2”輸入端相連；2、腳本程序運行2.1點擊軟件工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)，打開腳本編輯器窗口；2.2在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制算法VBS計算機控制技術基礎算法”文件夾下選中“數(shù)字濾波”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設置”，將腳本算法的運行步長設為10ms；2.3點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”，用雙蹤示波器分別觀察圖2的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡輸出端“DA2”的波形。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，改變方波信號的頻率

5、(即尖脈沖干擾信號的頻率)。觀察數(shù)據(jù)濾波器的濾波效果；2.4點擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數(shù)Ts(注：修改Ts時要同步修改算法的運行步長)、Ti兩個參數(shù)，然后再運行該程序，在示波器上再次觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響；2.5對于高階數(shù)字濾波器的算法編程實驗，請參考本實驗步驟2.2、 2.3和2.4。不同的是打開的腳本程序文件名為“數(shù)字濾波（高階）”，實驗時程序可修改的參數(shù)為a1、a2、a3和采樣時間Ts。2.6 實驗結(jié)束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。五、實驗報告要求1畫出尖脈沖干擾信號的產(chǎn)生電路圖。 圖一把圖1產(chǎn)生的尖脈沖信號視為干擾信號，幅值=2V，頻率=4HZ

6、與一低頻正弦信號,幅值=4V，頻率=8HZ,此信號由上位機的“腳本編輯器”編程輸出（DA1），輸入到圖2所示的兩個輸入端。（輸入信號：4Hz，2V的方波信號輸入，產(chǎn)生尖脈沖干擾信號。上位機的“腳本編輯器”編程從DA1輸出4V，8 Hz的正弦信號；） 圖2 測試信號的產(chǎn)生電路圖2一階數(shù)字濾波器的腳本程序。dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0 ,1 給通道一寫0 opx=0 賦初值end sub 結(jié)束初始化子函數(shù)sub TakeOneStep (arg) 算法運行函數(shù)pv = ReadData(1

7、) pv為當前測量值op1=2*sin(x) 產(chǎn)生一正弦信號x=x+0.05 Ti=0.02 Ti為慣性數(shù)字濾波器的時間常數(shù)Ts=0.01 采樣時間10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx op1為濾波后的輸出，算法為Yk=（1-a）Xk+aYk-1opx=op2 賦值，為下一時刻做準備if op2=4.9 then 輸出值限幅，op2上限為4.9op2=4.9end ifif op2=-4.9 then op2下限為-4.9 op2=-4.9end ifWriteData op1 ,1 通道1寫入op1的值WriteData op2 ,2 通道2寫入op2的值end su

8、b 結(jié)束算法運行子函數(shù)sub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1 給通道一寫0 WriteData 0 ,2 給通道二寫0end sub 結(jié)束退出子函數(shù)3繪制加數(shù)字濾波器前、后的輸出波形，并分析程序中參數(shù)的變化對其濾波效果的影響。六、思考題1、一階數(shù)字濾波器的截止頻率fc如何選??？對一階系統(tǒng)時間常數(shù)有什么影響？答：= 時間常數(shù)=RC 可以看出越小時間常數(shù)越大。時間常數(shù)越小，其濾波特性越好。2、采樣周期TS 對一階濾波效果有何影響？答：采樣頻率f= ，如果Ts太大，f就會變小，如果f小于信號的最大頻率兩倍，就會出現(xiàn)頻率混迭。3、濾波器的時間常數(shù)Ti對一階濾波效果有什么影響？答：時間常數(shù)越大，電路達到穩(wěn)態(tài)的時間越長，過渡過程也越長。4、采樣頻率對濾波效果有什么影響？答：采樣頻率必須至少是濾波信號中