智能传感器实验报告

1智能传感器实验—数字滤波器的设计2目录一、自主学习模块—培养自主学习的能力...................................................................3二、自主训练模块—培养发现问题的能力...................................................................3练习一巴特沃斯滤波器演示仪的使用练习.........................................................3练习二USB-6211数据采集卡的使用与驱动设计..............................................26三、自主应用模块-培养解决问题的能力....................................................................26课题一：根据幅频特性要求的典型低通、高通、带通、带阻滤波器的设计.26课题二：根据传递函数要求的广义滤波器设计.................................................29课题三：数字滤波器的功能检验.........................................................................31四、自主提高模块—培养举一反三、学以致用的能力.............................................333实验目的：通过仿真及实测训练，掌握数字滤波器的原理、特征参数、功能及其编程实现的方法。一、自主学习模块—培养自主学习的能力（1）数字滤波器主要功能的三个方面是：消噪、提高信噪比、提高分辨率。（2）通带、阻带、过渡带的定义为什么？根据上述三种频带及其在频段中所处区间的不同，滤波器可分为哪四类？通带：通带边缘频率之间的部分，此频率范围的信号通过滤波器后获得近似无失真输出。阻带：阻带边缘频率之外的部分，此频率范围内的信号通过滤波器后衰减最大。过渡带：通带与阻带之间的部分。根据上述三种频带及其在频段中所处区间的不同，滤波器可分为：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。（3）欲将某一阶环节的传感器频带扩展A倍，其传递函数为W(s)、频率特性为W(jω)ssW11)(jjW11)(现欲将其频带扩展A倍，即扩展后的转角频率'为A'也就是时间常数减小A倍，即A/'如何通过附加一个串联环节来达到上述目的？写出等效数字滤波器的差分方程式。可以附加的串联环节为1sAsA，这样最终系统的传递函数为()()YsAXssA，差分方程为：1()()()(1)AAynynxnyn二、自主训练模块—培养发现问题的能力练习一巴特沃斯滤波器演示仪的使用练习实验目的（1）通过对巴特沃斯数字滤波器演示仪的使用练习，学习在演示仪上通过“滤波器参数设置”，实现低通、高通、带通、带阻滤波器；（2）通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，了解滤波器的特性与功能。实验内容了解低通、高通、带通、带阻四种滤波器的滤波参数设置方法，观察不同参数下四种滤波器的滤波效果，学会通过观察“滤波效果演示图”、“滤波前和滤波后信号幅频特性图”和“滤波器幅频特性图”选取最优的滤波参数。（1）带通滤波器：41）带通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。图1带通滤波器幅频特性图设置滤波器的参数：滤波器类型带通、滤波器阶次4、低截止频率49Hz、高截止频率51Hz，此带通滤波器的幅频特性如图1所示，f1为低截止频率、f2为高截止频率。调整横坐标后，滤波器幅频特性如图2所示。图2滤波器的幅频特性记录此时滤波器f1和f2，这里记录的方法是：将横向游标放置在0.707处，然后分别将于纵向游标放置在横向游标与滤波器曲线的交点，读取两次纵向游标值，如图3所示。图3带通滤波器的幅频特性从图3中可以读出，此带通滤波器的低截止频率为49.05Hz，高截止频率为51.02Hz。与设定值基本相同。2）不改变带通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表1所示参数进行设置。表1干扰信号参数设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）510002225300325302427000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图4带通滤波器第一组结果6图5带通滤波器第二组结果7图6带通滤波器第三组结果图7带通滤波器第四组结果3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“高截止频率(Hz)”=52Hz，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。在前面板中读取此滤波器的截止频率，如下图所示：8图8修改参数后带通滤波器的幅频特性可以看出，此滤波器的低截止频率为48.98Hz，高截止频率为52.04Hz，与设定值基本相同。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图9修改参数后带通滤波器的滤波效果4）比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的带通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1、f2。9如图3和图8所示，修改参数前后，滤波器的低截止频率基本保持不变，高截止频率由原来的51.02Hz变为52.04Hz。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=53Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及滤波前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？比较图5和图9：从滤波效果演示图中，未看出参数修改前后的明显变化。从定量指标上看，修改参数前，滤波后信噪比由原来的0.0041变到8.5016；修改参数后滤波后信噪比由原来的0.0041变到1.6201。在失真度方面未看出二者有明显的不同。从幅频特性上看，修改参数前，滤波后的幅频特性上只有有用信号的谱线；修改参数后，滤波后的幅频特性上除了有用信号的频率成分外还有残余的干扰信号谱线。由以上对比可以看出，修改参数前的滤波效果更优。（2）低通滤波器：1）低通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。图10低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性如上图所示，f1为低截止频率，设置滤波器的参数：滤波器类型低通、滤波器阶次17、低截止频率70Hz、高截止频率无效。调整横坐标后，滤波器幅频特性如下图所示。图11低通滤波器的幅频特性按照与带通滤波器相同的方法，读取此低通滤波器的低截止频率为70.20Hz，与设定值基本相同。2）不改变低通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表2所示参数进行设置。表2低通滤波器干扰信号设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）1010002229000329002428000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图12低通滤波器第一组结果11图13低通滤波器第二组结果12图14低通滤波器第三组结果图15低通滤波器第四组结果3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“滤波器阶次”=4，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=90Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。观察低通“滤波器幅频特性图”，并记录此滤波器的f1。13图16修改参数后低通滤波器的幅频特性如图所示，此低通滤波器的低截止频率为70.20，与设定值基本相同。保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图17修改参数后低通滤波器的滤波效果4)、比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的低通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1。如图11和图16所示，修改参数前后低通滤波器的低截止频率并没有改变，均为70.20Hz。但修改参数前，使信号不失真的频带范围更宽。14②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=90Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0时，比较“滤波效果演示图”，“滤波前和滤波后信号幅频特性图”以及消噪前后的信噪比和失真度，思考何种滤波效果更优？对比图13和图17：从滤波前后的效果图中可以看出，修改参数后，滤波后的波形有较严重的失真。从定量指标上看，修改参数前后未有较明显的变化。从频谱上看，修改参数前，滤波后的频谱中只有有用信号的频率分量；修改参数后，滤波后的频谱中除了含有用信号的频率成分外，还有较明显的干扰信号成分。综上所述，修改参数前的滤波效果要好。3．高通滤波器：（1）高通滤波器的参数定义，观察“滤波器幅频特性图”。图18高通滤波器幅频特性图高通滤波器的幅频特性如上图所示，f1为低截止频率，设置滤波器的参数：滤波器类型高通、滤波器阶次4、低截止频率30Hz、高截止频率无效。调整横坐标后，滤波器幅频特性如下图所示。图19高通滤波器幅频特性如图19所示，此高通滤波器低截止频率为29.59Hz,与设定值基本相同。（2）不改变高通滤波器的参数设置，观察滤波效果添加干扰信号，观察滤波效果。在“被测信号设置”面板中设置“采样点数”=2048、“采样频率”=1000Hz，“有用信号幅值”=2V、“有用信号频率”=50Hz、“有用信号相位”=0度，其他参数按照表3所示参数进行设置。表3高通滤波器干扰信号设置次数正弦干扰信号幅值（V）正弦干扰信号频率（Hz）正弦干扰信号相位（度）白噪声幅值（V）1000222100032100215422000保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图20高通滤波器第一组结果16图21高通滤波器第二组结果图22高通滤波器第三组结果17图23高通滤波器第四组结果（3）修改滤波器的参数，观察其滤波效果：修改滤波器的参数为“低截止频率”＝15Hz，设置被测信号：“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号相位”＝0、“正弦干扰信号幅值”=2V、“正弦干扰信号频率”=10Hz、“正弦干扰信号相位”＝0、“白噪声幅值”＝0。在前面板中读取此高通滤波器的低截止频率，如下图所示：图24修改参数后高通滤波器的幅频特性从图中可以看出，此滤波器的低截止频率为14.97Hz，与设定值基本相同。18保存滤波效果演示图、滤波前后的幅频特性、滤波前后的信噪比和失真度。图25修改参数后高通滤波器的滤波效果（4）比较滤波器参数修改前后的滤波效果，选取最优滤波参数①比较滤波器参数修改前后的高通“滤波器幅频特性图”，有何异同，并比较f1。如图19和图24所示，修改参数前后，高通滤波器的低截止频率由29.59Hz变到14.97Hz。②比较滤波器参数修改前后，当被测信号为“有用信号幅值”＝2V、“有用信号频率”＝50Hz、“有用信号