LabVIEW計數濾波器在信號降噪中的應用

0 引言

方波頻率信號具有工作穩定、精度高、抗干擾能力強，便于與計算機接口等一系列優(yōu)點(diǎn)， 因此在現代測控系統中得到廣泛地應用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)的工業(yè)現 場(chǎng)環(huán)境中，方波頻率信號也往往受到高頻電磁干擾的影響，疊加一些尖峰脈沖干擾信號。這 類(lèi)干擾具有干擾力強、無(wú)規律的特點(diǎn)，嚴重影響測量信號的準確性。

實(shí)際應用中，一般采用隔離技術(shù)來(lái)消除方波頻率信號中的傳導干擾，但當空間的電磁輻 射干擾較為強烈時(shí)，單純的隔離技術(shù)難以達到有效降噪的目的。通過(guò)增加硬件脈寬數字濾波 電路可以達到抑制或消除高頻信號中的尖峰干擾，但需增加設備成本、且安裝調試繁雜。

本文采用LabVIEW 進(jìn)行伺服電機位置、速度、轉矩等信息傳送的采集，以對多軸伺服 系統的同步/協(xié)調性能進(jìn)行監測?，F場(chǎng)測試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號受到嚴重尖 峰脈沖的干擾，這里將光電隔離技術(shù)與基于LabVIEW 環(huán)境編譯的計數濾波器相結合，設計 實(shí)現了可靠、便捷的方波頻率信號濾波，工程實(shí)踐表明，該方法能有效降低傳導干擾和輻射 干擾對頻率測量精度的影響。

1 計數濾波原理

計數濾波器(Counter Filters)，也稱(chēng)為脈沖寬度濾波器，主要采用計數的方法來(lái)實(shí)現 數字濾波。尖峰干擾的頻率往往比方波信號要高很多，因此當脈寬小于某一設定值時(shí)，不可 能是真實(shí)的高頻方波脈沖信號，應給以濾除，從而抑制線(xiàn)路上的尖峰干擾。這也就是脈寬數 字濾波電路的工作原理。

以NI 公司M 系列PCI-6221 數據采集卡為例，其輸入信號、基準時(shí)鐘信號、經(jīng)濾波后 的輸入信號的脈沖波形如圖1 所示。其使用在板的振蕩器產(chǎn)生的40MHz 頻率作為濾波器的 基準時(shí)鐘，預置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當原始輸入信號由低變高后，基準時(shí)鐘信號開(kāi) 始被計數，當檢測到的脈沖寬度小于125ns 時(shí)，確定為尖峰干擾，不予輸出，當輸入信號寬 度大于預置濾波寬度時(shí)，濾波器輸出方波供后序電路處理。從圖1 可以看出，短時(shí)的脈沖干 擾得到很好的濾除。

NI 公司在M 系列測試設備對Counter Filters 功能的應用上提供了三項可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應的配置參數見(jiàn)表1。濾波脈寬的選擇是影響計數頻率濾波器濾波效果的關(guān)鍵， 脈寬太小，部分干擾信號不能與數字信號分離;太大將會(huì )使高頻數字信號失真，所以應用中 應根據實(shí)際現場(chǎng)情況，選擇適當的濾波脈寬。

2 LabVIEW計數濾波方法

2.1 LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于G 語(yǔ)言的圖形化編程環(huán)境LabVIEW 是美國NI 公司的創(chuàng )新軟件產(chǎn)品，它是一種 功能強大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺，同時(shí)也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢之一就是針對數據采集、儀器控制、信號分析和 數據處理等任務(wù)設計提供了豐富完善的功能圖標，用戶(hù)只需直接調用，就可免去自己編寫(xiě)成 的煩瑣。

針對數字信號的采集及噪聲信號的濾波， LabVIEW 提供了一套數據采集的 NI-DAQmx VI(模板)以及多功能的屬性節點(diǎn)等模板，使得計數濾波器的軟件實(shí)現變得更 高效且操作簡(jiǎn)單。NI-DAQmx 即數據采集測試服務(wù)軟體，是數據采集驅動(dòng)軟件發(fā)展的新一 代產(chǎn)品，可幫助用戶(hù)更快速創(chuàng )建、測試并發(fā)布使用高性能的測量應用程序，也是NI 測量服 務(wù)軟件的核心。