基于LabVIEW的相關(guān)濾波器的設計

　　1 引言

　　在目前的測試領(lǐng)域中，越來(lái)越廣泛地利用相關(guān)檢測的方法進(jìn)行濾波。利用相關(guān)濾波可以方便地從復雜的待測信號(包括有用信號、直流偏置、隨機噪聲和諧波頻率成分等)中分離出某一特定頻率的信號。在數字技術(shù)迅速發(fā)展以后，相關(guān)濾波也經(jīng)常利用A/D板對信號采樣后，在計算機中實(shí)現，成為數字濾波的一種形式。本文設計了一種實(shí)現相關(guān)濾波的方法，這是相關(guān)分析在測試技術(shù)中的一個(gè)典型應用。圖l所示為相關(guān)濾波器的典型框圖。



　　Labview是美國國家儀器公司推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，是目前國際上惟一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言。在以PC機為基礎的測量和工控軟件中，Labview的市場(chǎng)普及率僅次于C++/C語(yǔ)言。Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程圖式的編程，不需要預先編譯就存在語(yǔ)法檢測和調試過(guò)程使用的數據指針，到其豐富的函數、數值分析、信號處理和設備驅動(dòng)等功能。應用Lab-view進(jìn)行濾波器設計，效率高，操作簡(jiǎn)單，并能對誤差精度進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。把傳統儀器利用Labview用軟件的方法來(lái)實(shí)現，開(kāi)發(fā)周期短，易于維護和升級，可以設計出傳統儀器所不能比擬的虛擬儀器，“軟件就是儀器”——這就是虛擬儀器技術(shù)的精髓。

　　模擬自相關(guān)濾波器

　　2 虛擬相關(guān)濾波器的設計

　　2.1 前面板的設計

　　在Labview環(huán)境下開(kāi)發(fā)的應用程序稱(chēng)為VI(Virtual Instrument)。VI是Labview的核心，有一個(gè)人機交互的界面——前面板，和相當于源代碼功能菜單框圖程序——后面板組成。前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量和顯示量?jì)深?lèi)對象。在前面板中，控制量模擬了儀器的輸入裝置并把數據提供給VI的框圖程序，例如開(kāi)關(guān)、旋鈕等；而顯示量則是模擬了儀器的輸入裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數據，例如用于顯示波形的窗口等。后面板又稱(chēng)為代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源程序，在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出等功能。流程圖中包括前面板上沒(méi)有但編程必須有的對象，如函數、結構和連線(xiàn)等。

　　前面板如圖2所示，由以下幾個(gè)部分組成：參考信號的參數設置、待處理信號的參數設置、濾波結果的實(shí)時(shí)顯示以及原始信號的波形圖和濾波結果的波形圖?？梢栽O置參考信號的幅值和頻率，也可以對3路正弦信號設置頻率幅值和相位。程序成功運行后就可以從濾波實(shí)時(shí)顯示區得到濾波結果的頻率幅值和初相位，同時(shí)在波形顯示區中也可以得到相應的波形，使結果更為直觀(guān)地反映出來(lái)。



　　2.2 后面板的設計

　　后面板如圖3所示。后面板中的控件與前面板中的控件相對應，并且通過(guò)連線(xiàn)、添加程序以及加入各種信號等措施進(jìn)行編程，實(shí)現自相關(guān)濾波的功能。同時(shí)通過(guò)在前面板設置各種不同的參數，成功地運行程序，實(shí)現所要求的目標。為了實(shí)現這一功能，筆者又掭加了激勵信號源、濾波器加法器和乘法器等各種運算器。經(jīng)過(guò)運行程序．測試結果顯示能夠實(shí)現從一個(gè)包含多種頻率成分的信號中提取出所需單一頻率信號的功能，相當于實(shí)現了濾波。由于這種濾波的思路是從相關(guān)函數的定義出發(fā)的，因此成為相關(guān)濾波器。



　　在這里，筆者用仿真信號發(fā)生器來(lái)模擬待測的信號，在實(shí)際中這個(gè)待測信號通常由數據采集卡采集得到。輸入的待測信號為3路正弦信號的疊加，需要從中檢測出20 Hz的信號。這個(gè)測試VI實(shí)現了相關(guān)濾波過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯示，使用了循環(huán)結構。

　　3 改進(jìn)后的濾波器設計

　　上述實(shí)現相關(guān)濾波的基礎上，還可以進(jìn)一步改進(jìn)，使程序更加簡(jiǎn)單。改進(jìn)后的前面板如圖4所示，將多路信號集于一個(gè)圖中顯示，更加直觀(guān)。同時(shí)增加了粗調和細調旋鈕，顯得更加精確。改進(jìn)后的前面板結構更加緊湊，設計也更加合理。



　　改進(jìn)后的后面板如圖5所示?？梢钥吹?，濾波器用一個(gè)信號平均值測量VI代替了原來(lái)的濾波器VI。這是因為在相關(guān)濾波中，濾波器的作用實(shí)際上就是求取測試信號的直流分量，因此這樣同樣可以實(shí)現相關(guān)濾波。利用相關(guān)函數，可以識別并提取混淆在噪聲中的信號，即進(jìn)行相關(guān)濾波。



　　在數字技術(shù)迅速發(fā)展以后，相關(guān)濾波經(jīng)常利用A/D板對信號采樣后在計算機中實(shí)現，成為數字濾波的一種形式。而在Labview中實(shí)現相關(guān)濾波的方法，也是相關(guān)分析在測試技術(shù)中的一個(gè)典型應用。

　　4 結束語(yǔ)

　　虛擬儀器已經(jīng)為越來(lái)越多的人所使用和接受，因為虛擬儀器系統更快速簡(jiǎn)捷和方便，也可以節省硬件資源。通過(guò)虛擬濾波器設計，可對虛擬儀器有更深的理解和領(lǐng)悟，也為以后進(jìn)行更進(jìn)一步的研究提供了基礎。