基于LabVIEW 的数字滤波器设计实例IIR FIR16229.docx

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1、目前前，微机机保护和和二次信信号处理理软件主要要采用数数字滤波波器。传传统的数数字滤波波器设计计使用繁繁琐的公公式计算算，改变变参数后后需要重重新计算算，在设设计滤波波器尤其其是高阶阶滤波器器时工作作量很大大。利用用 LaabVIIEW（LLaboorattoryy Viirtuual INSSTRUUMENNT EEngiineeerinng WWorkkbennch，实实验室虚虚拟仪器器工作平平台）使使用G 语言（GGrapphiccs LLangguagge，图图形化编编程语言言）编程程，可以以快速有有效地实实现数字字滤波器器的设计计与仿真真。由于于G 语语言编程程具有诸诸多优点点，因此

2、此基于LLabVVIEWW 设计计的数字字滤波器器具有高高效、灵灵活、界界面友好好、集成成性强、费费用低、用用户自定定义功能能强等诸诸多优点点1。1. 数字字滤波器器及其传传统设计计方法1.1 数数字滤波波器概述述滤波波器是一一种使有有用频率率信号通通过同时时抑制（或或大为衰衰减）无无用频率率信号的的装置。工工程上常常将它用用于信号号处理、数数据传送送和抑数数字滤波波器是数数字信号号分析中中的重要要组成部部分，它它的输入入和输出出信号都都是离散散的，与与模拟滤滤波器相相比，它它具有准准确度和和稳定性性高，系系统函数数容易改改变，灵灵活性高高等优点点，因而而数字滤滤波器在在工程中中得到了了广泛的

3、的应用2。数数字滤波波器有多多种分类类，按频频率特性性分类可可以分为为：高通通、低通通、带通通、带阻阻；按数数字滤波波器冲激激响应的的时域特特征分类类可以分分为：有有限冲激激响应滤滤波器（ffiniite imppulsse rrespponsse, FIRR）和无无限冲激激响应滤滤波器（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。数字字滤波器器的差分分方程可可以用下下式表示示：式中， x(nn) 为为输入序序列， y(nn) 为为输出序序列， k aa 、kk b 分别为为输出、

4、输输入序列列的系数数。数字字滤波器器对应的的传递函函数为：当kk a 不全为为0 时时，为IIIR 滤波器器；当kk a 全为00 时，为为FIRR 滤波波器。从性性能上看看，FIIR 滤滤波器和和IIRR 滤波波器各有有优点：FIRR 滤波波器可以以得到严严格的线线性相位位；但是是需要较较多的存存储器和和较长的的运算，成成本比较较高，信信号延时时也较大大。IIIR 滤滤波器可可以用较较少的阶阶数获得得很高的的选择特特性，所所用存储储单元少少，运算算次数少少，效率率高的优优点；但但是相位位是非线线性的，且且选择性性越好其其相位非非线性越越严重3。1.2 数数字滤波波器的传传统设计计方法数字字滤

5、波器器的传统统设计过过程可归归纳为以以下三个个步骤：(11)按照照实际需需要确定定滤波器器的性能能要求。(22)用一一个因果果稳定的的系统函函数(即即传递函函数)去去逼近这这个性能能要求。此此函数可可以分为为两类：即IIIR 传传递函数数和FIIR 传传递函数数。(33)用一一个有限限精度的的运算去去实现这这个传递递函数。FIIR 滤滤波器设设计实质质是确定定能满足足要求的的转移序序列或脉脉冲响应应的常数数，设计计方法主主要有窗窗函数法法、频率率采样法法和等波波纹最佳佳逼近法法等。目目前，FFIR 滤波器器设计没没有封闭闭的设计计公式。虽虽然窗函函数法对对窗口函函数可给给出计算算公式，但但计算

6、通通带与阻阻带衰减减仍无计计算公式式。FIIR 滤滤波器的的设计只只有计算算程序可可循，因因此对计计算工具具要求较较高，不不用计算算机编程程一般很很难实现现。IIIR 滤滤波器的的设计源源于模拟拟滤波器器设计，它它通过对对低通滤滤波器进进行模拟拟频率变变换得到到。常用用的IIIR 滤滤波器有有巴特沃沃斯滤波波器、切切比雪夫夫滤波器器、切比比雪夫滤波器器、椭圆圆滤波器器和贝塞塞尔滤波波器。目目前，IIIR 滤波器器的设计计可以借借助模拟拟滤波器器的成果果，有封封闭形式式的设计计公式，对对计算工工具的要要求不高高。IIIR 滤滤波器的的设计虽虽然简单单，但脱脱离不了了模拟滤滤波器的的设计模模式，主

7、主要用于于设计低低通、高高通、带带通及带带阻滤波波器。而而FIRR 滤波波器的设设计要灵灵活得多多，尤其其是频率率采样设设计法更更易适应应各种幅幅度特性性和相位位特性的的要求。2 基于LLabVVIEWW 的数数字滤波波器设计计2.1 LLabVVIEWW 简介介LaabVIIEW 是NII（Naatioonall INNSTRRUMEENT，美美国国家家仪器）公公司推出出的一种种基于GG 语言言的虚拟拟仪器（vvirttuall INNSTRRUMEENT，VVI）开开发工具具。LaabVIIEW 编程使使用图形形化语言言，它是是非计算算机专业业人员使使用的工工具，它它为设计计者提供供了一个

8、个便捷、轻轻松的设设计环境境，因此此，LaabVIIEW 在世界界范围内内的众多多领域如如航空、航航天、通通信、电电力、汽汽车、化化学等领领域得到到广泛应应用44。LaabVIIEW 有两个个基本窗窗口：前前面板窗窗口和流流程图窗窗口。编编译环境境下显示示两个窗窗口，前前面板用用于放置置控制对对象和显显示对象象，控制制对象相相当于常常规仪器器的控制制和调节节按钮；前面板板用于显显示程序序运行结结果，相相当于常常规仪器器的显示示屏幕或或指针。流流程图窗窗口用于于编写和和显示程程序的图图形源代代码，它它相当于于语言编编程中一一行行的的语句，它它由各种种能完成成一定功功能的模模块通过过连线连连接而成

9、成。当编编写的LLabVVIEWW 程序序调试无无误后，可可将程序序编译成成应用程程序（EEXE 文件）。此此时，设设计的虚虚拟仪器器可以脱脱离LaabVIIEW 开发环环境，用用户只需需通过前前面板进进行控制制和观测测。2.2 LLabVVIEWW 中的的数字滤滤波器利用用文本软软件设计计实现的的滤波器器在使用用过程中中往往出出现难以以调整波波形系数数，与硬硬件接口口程序复复杂，开开发周期期长等问问题。而而使用LLabVVIEWW 设计计的滤波波器不仅仅设计简简单，而而且使用用起来要要比利用用文本文文件实现现的滤波波器方便便得多。LaabVIIEW 为设计计者提供供了FIIR 和和IIRR

10、滤波波器VII，使用用起来非非常方便便，只需需要输入入相应的的指标参参数即可可，不需需要进行行复杂的的函数设设计和大大量的运运算。滤滤波器VVI 位位于LaabVIIEW 流程图图面板的的FunnctiionAnnalyyzeSiignaal PProccesssinggFFiltterss 上。不同滤滤波器VVI 滤滤波时均均有各自自的特点点，因此此它们用用途各异异。在利利用LaabVIIEW 实现滤滤波功能能时，选选择合适适的滤波波器是关关键，在在选择滤滤波器时时，可参参照不同同滤波器器的特点点，考虑虑滤波的的实际要要求来选选择合适适的滤波波器55。各各种滤波波器的特特点及选选择滤波波器的

11、步步骤见图图1。图11 滤波波器选择择步骤3 基于LLabVVIEWW 的数数字滤波波器设计计实例电力力系统滤滤波器可可以从电电力信号号中将所所需频段段的信号号提取出出来并将将干扰信信号滤除除或大大大衰减。利利用LaabVIIEW 可以设设计出满满足电力力系统需需要的滤滤波器，图图2为利利用LaabVIIEW 设计的的IIRR 数字字滤波器器前面板板，前面面板上有有参数设设置、波波形显示示两个区区域。在在参数设设置区域域有六个个设置项项：滤波波器选择择、滤波波器类型型、下截截止频率率、上截截止频率率、采样样频率、阶阶次、纹纹波、衰衰减；选选择的滤滤波器不不同时，需需要设置置的项也也不同。波波形

12、显示示区域用用于显示示滤波前前后的波波形，在在此区域域可直观观地看出出滤波效效果。图22 数字字滤波器器前面板板滤波波器的输输入信号号是从电电力系统统中采集集的，信信号中含含有频率率为500Hz，有有效值为为2200V 的的基频分分量，和和频率为为1000Hz、1150HHz、2200HHz 的的二次、三三次、四四次谐波波。现欲欲提取出出基频分分量，滤滤去高次次谐波，采采用低通通滤波方方式滤波波，滤波波阶次为为8 阶阶，纹波波为0.1，衰衰减为660，下下截止频频率为550Hzz，分别别采用巴巴特沃斯斯滤波器器、切比比雪夫滤滤波器、切切比雪夫夫滤波器器、椭圆圆滤波器器和贝塞塞尔滤波波器滤波波，

13、滤波波器的输输入信号号与不同同滤波器器的输出出波形如如图3 所示。由由图3 可以看看出采用用不同的的滤波器器滤波，滤滤波效果果是不同同的。在在此实例例中，巴巴特沃思思滤波器器和切比比雪夫滤滤波器的的滤波效效果相对对较好；而切比比雪夫滤波器器的滤波波延迟时时间较长长；贝塞塞尔滤波波器滤波波的衰减减较大。因因此，要要根据不不同的工工况要求求来选择择合适的的滤波器器滤波。4 结论利用用LabbVIEEW 实实现的数数字滤波波，采用用了图形形语言编编程，与与采用文文本语言言编程相相比，能能缩短440%70%的开发发时间；与硬件件仪器相相比，又又具有容容易调整整滤波器器类型、降降低成本本、滤波波效果直直观等优优点。基基于LaabVIIEW 编写的的程序还还可以将将其作为为子程序序在其他他虚拟仪仪器系统统中调用用，大大大增强了了程序的的通用性性。