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一种基于VB的虚拟数字滤波器的设计(上) 作者:佚名 ?来源:不详 ?录入:Admin ?更新时间：2008-8-3 16:51:59 ?点击数：14 【字体： 】 ???? 虚拟仪器的构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。基于PC机平台的虚拟仪器，不但具有强大的软件开发资源，而且造价低，适合于普通用户。本设计就是采用PC DAQ系统来实现的。本设计的系统构成如图1所示。其采用研华公司的PCL2818LS数据采集卡为主，构建计算机硬件外围电路，实现信号调理和高速数据采集。PCL2818LS数据采集卡有如下的功能和特点： 16路单端或8路差分模拟量输入；40 kHz 12位A／D转换器；可对每个输入通道的增益进行编程；带DMA的自动通道／增益扫描；16个数字量输入和16个数字量输出；一个12位模拟量输出通道(D／A转换)；可编程定时触发器／计数器；软件支持包括VisiDAQ 3.1，ActiveDAQ和Windows 3.1／95／NT高速DLL驱动程序。由于测量信号没有经过硬件滤波，因此必须对采集进来的信号进行数字滤波，否则对测量结果产生大的干扰，影响测量精度。 2 数字滤波器的结构 数字滤波器(Digital Filter)是指用来对输入信号进行滤波的硬件和软件。所谓数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的器件。与模拟滤波器相比，数字滤波器的主要优点是： (1) 精度和稳定性高； (2) 系统函数容易改变，因而灵活性高； (3) 不存在阻抗匹配问题； (4) 便于大规模集成； (5) 可以实现多维滤波，一个数字滤波器可以用系统函数表示为： 直接由H(z)得出，表示输入输出关系的常系数线性差分方程为：可以用两种方法来实现数字滤波器：一种方法是采用通用计算机，利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波器所完成的运算编成程序通过计算机来执行，也就是采用计算机软件来实现；另一种方法是设计专用的数字硬件来实现。数字滤波器有IIR和FIR两种。从结构上看，IIR数字滤波器采用递归结构，FIR数字滤波器主要采用非递归的结构。由于无限冲激响应滤波器IIR具有无限记忆和运算项数较少的特点，本文将介绍由IIR滤波器满足“终端机”中滤波器技术指标的设计方法与实现。 3 IIR滤波器的设计理论和方法 递归型滤波器的结构及其转移函数的形式决定了他的设计方法，递归滤波器的转移函数一般为式(1)的形式。设计递归滤波器就是确定滤波器的系数ak和bk，使他满足滤波器的技术指标。 3.1 递归滤波器的设计 设计IIR数字滤波器的方法主要有两种。一种利用模拟滤波器的理论来设计；另一种是计算机辅助设计，也就是利用最优技术进行设计。他的设计步骤如下： (1) 确定满足要求技术指标的模拟滤波器的转移函数H(s)； (2) 把模拟滤波器数字化。利用模拟滤波器来设计数字滤波器，就是要把s平面映射到z平面，使模拟系统函数Ha(s)变换成所需的数字滤波器的系统函数H(z)，这种由复变量s到复变量z之间的映射关系，必须满足两条基本要求： H(z)的频率响应要能模仿Hz(s)的频率响应，即s平面的虚轴jΩ必须映射到z平面的单位圆ejΩ上，也就是频率轴要对应； 因果稳定的Ha(s)应能映射成因果稳定的H(z)，也就是s平面Re(s)0的左半平面必须映射到z平面单位圆的内部|z|＜1。 上述两个条件既保持模拟滤波器的频率特性，亦保持模拟滤波器的稳定性，所以，映射关系得到的数字滤波器频率特性和稳定性不变。 3.2 由模拟滤波器得到数字滤波器的方案 从模拟滤波器变换成数字滤波器方案主要有以下3种： 冲激响应不变法： 阶跃响应不变法： 双线性变换法： 设计步骤：按一定技术指标将给出的数字滤波器转换为模拟低通滤波器；根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器H(s)。再将H(s)转换成H(z)：对于高通、带通或带阻数字滤波器的设计，先将其技术指标转化为与之相应的作为“样本”的低通模拟滤波器的技术指标，再进行频率变换，然后按上述步骤设计出低通H(s)，再将H(s)转换成需要的H(z)。 冲激响应不变法设计IIR数字滤波器的主要缺点是数字滤波器的幅度响应产生混迭失真，双线性变换法可克服这个缺点，但是他却引起频率失真。双线性变换的频率标度的非线性失真可以通过预畸变的方法来补偿，即： 模拟滤波器按这两个预畸变了的频率ΩP和ΩT来设计，这样用双线性变换得到的数字滤波器便具有所希望的截止频率特性，因此，本文讨论的是后一种方法，双线性变换法设计首先找出模拟滤波器的转移函数H(s)，然后求出对应的数字滤波器的转移函数H(z)： T为采样周期。