數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁(yè)眉頁(yè)腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，謝謝！學(xué)數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化指導(dǎo)教師學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：周申培工作單位：自動(dòng)化學(xué)院題目:數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完成的主要任務(wù):（1（頻率100Hz號(hào)，再與正弦信號(hào)疊加；（2）計(jì)算機(jī)對(duì)含有干擾的正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，保留正弦信號(hào)，去除干擾；（3）輸入為模擬電壓，輸入模擬電壓范圍為0～，最后濾波的結(jié)果用顯示器顯示；（4）分析數(shù)字濾波的常用方法，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)；（5）采用平均值濾波算法，設(shè)計(jì)算法程序；（6）通過(guò)數(shù)據(jù)分析參與平均值濾波的測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)對(duì)濾波效果的影響；（7）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。時(shí)間安排：6月26日查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體方案設(shè)計(jì)6月27日—6月28日完成硬件設(shè)計(jì)6月29日—6月30日編寫(xiě)調(diào)試程序7月1日—7月4日撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7月5日提交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、圖紙、電子文檔指導(dǎo)教師簽名：年月月日日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年目錄摘要......................................................................11.設(shè)計(jì)原理.................................................................21.1數(shù)字濾波器............................................................21.2工程中簡(jiǎn)易濾波方法....................................................31.2.1算數(shù)平均濾波法....................................................31.2.2限幅濾波法........................................................41.2.3中值濾波法........................................................51.2.4滑動(dòng)平均濾波法....................................................51.2.5中值平均濾波法....................................................61.2.6限幅平均濾波法....................................................61.2.7一階滯后濾波法....................................................71.2.8加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法................................................71.2.9消抖濾波法........................................................71.2.10限幅消抖濾波法...................................................82算術(shù)平均濾波法算法程序....................................................93結(jié)果分析.................................................................12心得體會(huì)...................................................................14參考文獻(xiàn)...................................................................15本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表...................................................16武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要測(cè)信號(hào)源本身、傳感器、外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。噪聲有兩大類(lèi)：一類(lèi)為周期性的；另一類(lèi)為不規(guī)則的。前者的典型代表為50Hz的工頻干擾。對(duì)于這類(lèi)信號(hào)，采用積分時(shí)間等于20ms的整數(shù)倍的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響。后者為隨機(jī)信號(hào)，它不是字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。本次計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)即為數(shù)字濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)濾波的測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)對(duì)濾波效果的影響。關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波噪聲干擾A/D轉(zhuǎn)化器1武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1.1數(shù)字濾波器DigtalFilterAnalogFilterLowPassHighPassBandBand）等濾波器形式。數(shù)字濾波器既可以用算法實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，離散數(shù)字信號(hào)已成為信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此數(shù)字濾波器也被廣泛用以濾除信號(hào)中的無(wú)用或干擾部分。數(shù)字濾波器與傳統(tǒng)模擬濾波器在實(shí)現(xiàn)上存在很大的差異。傳統(tǒng)的模擬濾波器主要是硬件實(shí)現(xiàn)，它的硬件部分包括電容、電感和電阻等器件，而數(shù)字濾波器在硬件實(shí)現(xiàn)上主要涉及A/DD/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、存儲(chǔ)器、及微處理器等。數(shù)字濾波器的另一特點(diǎn)是可以用軟件實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)編程用算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如體積小、成本低、參數(shù)調(diào)整容易、有較高的精度、工作效率高等，但它們之間有共同之處，比如，濾波器的選頻特性，即都用頻率響應(yīng)作為濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)。x(k)，輸出序列為，則它們之間的關(guān)系可以用差分方程來(lái)表示：（1-1）其中，系數(shù)一般取1；b1,b2,...,bM及a0,a1,a2,...aN為常系數(shù)；對(duì)特定的系統(tǒng)，M,N為常數(shù)，分別代表輸出最高階數(shù)和輸入最高階數(shù)。對(duì)上式兩邊做z變換，并化簡(jiǎn)得數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為：（1-2）2武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)將N次采樣或測(cè)量得到的值取平均值，作為本次測(cè)量輸出值。設(shè)每次采樣值為xi，i=1,2，...，，則經(jīng)過(guò)算術(shù)平均濾波后輸出為：1-3）（2）算術(shù)平均濾波原理該方法以相關(guān)理論和統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)。每次采樣或測(cè)量得到的值xi實(shí)際上可以表示1-4）式中，s為實(shí)際值；n為噪聲。平均值為：ii（1-5）當(dāng)噪聲或干擾為隨機(jī)量，且其均值為零時(shí)，有：故而，取平均值可以有效去除隨機(jī)干擾。即有：（1-6）（1-7）（3）算術(shù)平均濾波法的應(yīng)用條件①算術(shù)平均濾波法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值附近上下波動(dòng)；②噪聲與信號(hào)相互獨(dú)立且平穩(wěn)；（4）算術(shù)平均濾波法的應(yīng)用場(chǎng)合武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)②時(shí)間歷程的測(cè)量與分析。占用資源較少；②算術(shù)平均濾波法對(duì)信號(hào)的平滑程度完全取決于。當(dāng)N較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為如果本次值與上次值之差小于等于，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于，則本次值無(wú)效，放棄本次值，用上次值代替本次值。該方法又稱(chēng)為程序判斷濾波法，可用數(shù)學(xué)關(guān)系表述如下：設(shè)第k次測(cè)量的值為，前一次測(cè)量的值為，允許最大偏差值為，則當(dāng)前測(cè)量值y為：（1-8）有時(shí)，當(dāng)本次值與上次值之差大于最大允許偏差值時(shí)，采用折中方法，即令當(dāng)前輸出。（2）限幅濾波機(jī)理任何動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)參量變化都與其他時(shí)刻的狀態(tài)參量有關(guān)，不可能發(fā)生突變，一旦發(fā)生突變，極有可能是受到了干擾。反映在工程測(cè)量中，即許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。限幅濾波就是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差值，若超出此偏差值，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，可將信號(hào)作為本次采樣值。這類(lèi)干擾可以是隨機(jī)出現(xiàn)的，但它不是統(tǒng)計(jì)意義下的隨機(jī)噪聲。（3）限幅濾波法的應(yīng)用場(chǎng)合當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)脈沖干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動(dòng)或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測(cè)時(shí)，可采用限幅濾波法進(jìn)行濾波。4武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)限幅濾波法主要適用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度等。具體應(yīng)用時(shí)，關(guān)鍵的問(wèn)題是采樣效率變低。因此，門(mén)限值的選取是非常重要的。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)也可由實(shí)驗(yàn)得出。（4）限幅濾波法的特點(diǎn)這種濾波方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點(diǎn)是無(wú)法抑制周期性的干擾，對(duì)隨機(jī)噪聲引起的干擾濾波效果有限，且平滑度差。1.2.3中值濾波法（1）中值濾波法實(shí)現(xiàn)方法中值濾波是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般NN次采樣值從小到大，或從大到小排列，再取其中間值作為本次采樣值。（2）中值濾波機(jī)理當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，其狀態(tài)參量會(huì)偏離實(shí)際值，但干擾總是在實(shí)際值的周?chē)舷虏▌?dòng)。（3）中值濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合中值濾波法能有效克服因偶然因素引起的脈動(dòng)干擾。如，對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果，但對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。這種濾波方法簡(jiǎn)單實(shí)用，便于程序?qū)崿F(xiàn)，特別適用于以單片機(jī)為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)中。1.2.4滑動(dòng)平均濾波法（1）滑動(dòng)平均濾波實(shí)現(xiàn)方法算術(shù)平均濾波法采樣NN個(gè)新數(shù)據(jù)的輸出。這樣占用內(nèi)存大，開(kāi)銷(xiāo)也大。為此，提出滑動(dòng)平均濾波方法，這種方法把前面采樣得到的N-1該方法又稱(chēng)為遞推平均濾波法。N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波效果。5武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)算術(shù)平均濾波法和滑動(dòng)平均濾波法可以看做是用一個(gè)固定寬度為N上滑動(dòng)，沒(méi)滑動(dòng)一次輸出一個(gè)濾波值。只不過(guò)算術(shù)平均濾波法中窗口沒(méi)有交疊，而滑動(dòng)平均濾波法有N-1個(gè)點(diǎn)交疊。（2）滑動(dòng)平均濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合滑動(dòng)平均濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，也適用于高頻振蕩的系統(tǒng)，但靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾的抑制作用較差。1.2.5中值平均濾波法（1）中值平均濾波法實(shí)現(xiàn)方法該方法又稱(chēng)為防脈沖干擾平均濾波法，相當(dāng)于中值濾波法與算術(shù)平均濾波法的結(jié)合。這實(shí)際上是一種復(fù)合濾波方法。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。（2）中值平均濾波法的特點(diǎn)這種濾波方法融合了中值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以消除由于脈沖干同樣存在時(shí)間平均與空間平均的問(wèn)題。對(duì)于時(shí)間平均，可消除周期干擾和零均值干擾；對(duì)于空間平均，則可以消除零均值噪聲干擾，而保留信號(hào)中的周期成分。對(duì)于空間平均，其濾波結(jié)果與前面的平均法濾波效果幾乎相同，這里就不再贅述。其適用場(chǎng)合與中值法和算術(shù)平均法類(lèi)似。只不過(guò)在處理速度上會(huì)比單獨(dú)采用其中一種方法要慢一些。由于這種濾波方法兼顧了中值濾波和算術(shù)平均值濾波的優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)論對(duì)緩慢變化的信號(hào)，還是對(duì)快速變化的信號(hào)，都能獲得較好的濾波效果。1.2.6限幅平均濾波法（1）限幅平均濾波實(shí)現(xiàn)方法限幅平均濾波法也是一種復(fù)合濾波方法，相當(dāng)于“限幅濾波法”與“滑動(dòng)平均濾波法”的結(jié)合。每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊(duì)列進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理。（2）限幅平均濾波法的特點(diǎn)這種濾波方法融合了限幅濾波法和滑動(dòng)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)，既可以消除脈沖性干擾，也可消除零均值噪聲和周期性干擾。其他特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合與中值平均濾波法類(lèi)似。6武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1.2.7一階滯后濾波法（1）一階滯后濾波實(shí)現(xiàn)方法在[0,1]區(qū)間上取一常數(shù)，則本次濾波結(jié)果（）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果這種濾波方法沒(méi)有具體指出用哪一種方法得到上次濾波結(jié)果，即第一個(gè)上次濾波結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以選擇第一個(gè)采樣值作為上次濾波結(jié)果，也可以用前面的濾波方法得到第一個(gè)濾波結(jié)果。一旦得到初始濾波結(jié)果，以后的濾波結(jié)果就可以用上面的公式進(jìn)行濾波了。（2）一階滯后濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合一階滯后濾波法實(shí)際上是將本次采樣值與上次濾波結(jié)果賦予不同的權(quán)重，即當(dāng)前輸出為兩個(gè)結(jié)果的加權(quán)和。該方法對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。存在的不足主要有相位滯后，滯后程度取決于a值大小，靈敏度低，不能消除濾波頻率高于采樣頻率1/2的干擾信號(hào)等。1.2.8加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法（1）加權(quán)滑動(dòng)平均濾波實(shí)現(xiàn)方法加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法是對(duì)滑動(dòng)平均濾波法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)重。通常是越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)重越大。但要保證權(quán)系數(shù)的和為1。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。（2）加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長(zhǎng)，變化緩慢的信號(hào)不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。其程序?qū)崿F(xiàn)方法只要在滑動(dòng)窗中的每一個(gè)數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，且保證權(quán)系數(shù)和為1就可以了。1.2.9消抖濾波法（1）消抖濾波實(shí)現(xiàn)方法，并判斷計(jì)數(shù)器是否大于等于上限7武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2）消抖濾波法的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合消抖濾波法對(duì)于變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有較好地濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開(kāi)/的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會(huì)將干擾值當(dāng)做有效值導(dǎo)入系統(tǒng)。1.2.10限幅消抖濾波法（1）限幅消抖濾波法實(shí)現(xiàn)方法限幅消抖濾波法相當(dāng)于限幅濾波法與消抖濾波法的結(jié)合，即先限幅，后消抖。（2）限幅消抖濾波法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合限幅消抖濾波法繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)了消抖濾波法中的某些缺陷，避免將干擾值導(dǎo)入系統(tǒng)，但不宜處理快速變化的參數(shù)。8武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2算術(shù)平均濾波法算法程序MATLAB源程序：算術(shù)平均值濾波程序clearclcfs=1000;%采樣頻率（Hz）f=100;%信號(hào)實(shí)際頻率（Hz）N=500;%樣本數(shù)t=0:1/fs:0.1;%信號(hào)時(shí)間采樣點(diǎn)M=length(t)-1;%分析信號(hào)長(zhǎng)度給N個(gè)樣本賦值fori=1:Nforj=1:Ms(i,j)=sin(2*pi*f*(j-1)/fs);s1(j)=s(i,j);endend加零均值白噪聲fori=1:Nnoise=randn(1,M);forj=1:Mx(i,j)=s(i,j)+noise(j);x1(j)=x(i,j);endend采用平均法對(duì)加噪聲信號(hào)濾波forj=1:M9武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)fori=1:Nk(i)=x(i,j);endxmean(j)=mean(k);end畫(huà)圖subplot(2,2,1)plot(s1)gridaxis([0,length(t)-1,-3,3])title(‘原始信號(hào)’)subplot(2,2,2)plot(x1)axis([0,length(t)-1,-3,3])gridtitle(‘加噪信號(hào)’)subplot(2,2,3)plot(xmean)axis([0,length(t)-1,-3,3])gridtitle(‘算術(shù)平均法去噪后信號(hào)’)fre=fft(xmean);fre1=abs(fre);fre2=fre1(1:length(fre1)/2);dataf=fs/M;10武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)fori=1:ceil(M/2)frequency(i)=dataf*i;endsubplot(2,2,4)plot(frequency,fre2)gridtitle(‘濾波后信號(hào)頻譜’)11武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3結(jié)果分析樣本數(shù)N=100時(shí)的信號(hào)波形如圖3-2所示。圖武漢理工大學(xué)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)樣本數(shù)N=500時(shí)的信號(hào)波形如圖3-3所示。圖圖根據(jù)上述不同樣本數(shù)的信號(hào)波形可知，改變樣本數(shù)，會(huì)使輸出的波形形狀略微有區(qū)N隨著NN量過(guò)大，MATLAB程序需要用較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)。武漢理工大學(xué)《計(jì)