Преобразование измерительных систем

При рассмотрении этого VI не стоит ограничиваться только указанием его входов, нужно обратить также внимание на значения показаний на выходе.

Выход Данные о фильтре (filter information) является кластером, который включает в себя два подкластера – Значение (magnitude) и Фаза (phase). Они, в свою очередь, делятся на:

• Частота (frequency) возвращает частоты передаточной характеристики фильтра в Гц;
• Значение (magnitude) возвращает значения передаточной характеристики фильтра в дБ;
• Фаза (phase) возвращает значения фаз передаточной характеристики используемого фильтра в градусах.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

29

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Выход Ошибка величины (magnitude error) возвращает значение девиации (отклонения) передаточной характеристики реального фильтра от идеального (на выбранной частоте). этот выход также является кластером, но очень прост.

Выход Полоса шума (noise bandwidth) возвращает ожидаемую шумовую полосу реального фильтра.

Фильтр с нулевым смещением  фазы (Zero Phase Filter.vi)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

30

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

В этом VI входы Обратные коеффициенты (Reverse Coefficients) и Прямые коэффициенты (Forward Coefficients) устанавливают соответствующие коэффициенты фильтра с нулевым смещением фазы.

Пример, иллюстрирующий эффективность работы Zero Phase Filter.vi:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

31

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 Разраб.

Арискина Е.В.

 

 Пров.

Мясникова М.Г.

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утв.

 

Реализация модели полосового фильтра в LabVIEW

Лит.

Листов

46

ПГУ

каф. «ИИТ»

гр.09ПД-1

4 Реализация модели полосового фильтра в LabVIEW

Для проектирования виртуального прибора в среде LabVIEW необходимо сформировать его лицевую панель и разработать блок-диаграмму. При формировании лицевой панели производятся выбор и установка на ней элементов управления и индикации из палитры элементов (Controls) в меню Functions. Затем эти элементы соединяются линиями, называемыми проводниками (wires), для прохождения данных от одного блока к другому. Эти блоки могут быть простыми арифметическими функциями, виртуальными инструментами для сбора данных и анализа, сетевыми функциями и функциями ввода/вывода, которые записывают и восстанавливают данные. Элементы Управления – кнопки, ручки управления, ползунки и другие элементы ввода. Элементы Отображения – графики, цифровое табло и т. д. После помещения элементов Управления или Отображения данных на Лицевую панель, они получают свое графическое отображение на блок- диаграмме. Элемент, созданный на лицевой панели, невозможно удалить на блок-диаграмме.  

Для анализа спектра выходного сигнала в среде LabVIEW был реализован функциональный генератор с применением полосового фильтра.  

Соберем схему генератора с необходимыми для него элементами управления и отображения:

• В окно блок–диаграммы поместим генератор сигналов (Basic Function Generator) (рис.6.).
• Добавим генератор шума (Gaussian White Noise Waveform) (рис.7), для возможности формирования шумового сигнала. ВП генерирует случайную последовательность нормального распределения с параметрами (μ, sigma) = (0,s), где s является абсолютным значением заданного стандартного СКО (standard deviation). По умолчанию 1,0.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

32

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

          

                         Рисунок 6                                         Рисунок 7

• Создадим необходимые элементы управления:

 Boolean – логические элементы, отображающие два состояния логической функции: ИСТИНА (True) и ЛОЖЬ (False).

 Числовые элементы управления Numeric ввода данных в форме с плавающей запятой двойной точности для таких параметров как амплитуда, фаза и частота.

 Добавим элемент window , позволяющий задавать необходимый тип сигнала.

• Поместим сам генератор и генератор шумов в структуру Case при условии ЛОЖЬ (FALSE), и суммируем сигналы с выходов обоих генераторов. Структура Case управляет выполнением одного из двух или более фрагментов кода, при выборе условий аналогична оператору if–then–else текстовых языков, а при выборе по значению числовой или строковой переменной аналогична оператору Case.
• Поместим элемент Waveform Graph Properties (Свойства графика осциллограмм) – графический индикатор, имитирующий работу осциллографа. Он принимает данные в виде массива чисел и отображает их с равномерным шагом.
• Соединим все элементы управления и индикаторы проводниками с экспресс ВП, ВП и функциями. Перемещение данных через узлы на блок-диаграмме определяет порядок выполнения ВП и функций.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

33

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Результат построения схемы функционального генератора представлен на рисунке 8:

Рисунок 8

Перейдем  к реализации схемы полосового фильтра:

• Создадим еще одну структуру Case для добавления в нее фильтров различных типов и для удобства переименуем стандартные значения в меню Properties опции Edit Items:

 0, Фильтр Чебышева

 1, Фильтр Баттерворта

 2, Эллиптический фильтр

 3, Инверсный фильтр Чебышева

 4, Фильтр Бесселя

 5, Фильтр нижних частот с равномерными пульсациями

 6, Фильтр верхни Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

34

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

 х частот с равномерными пульсациями

 7, Полосовой фильтр с равномерными пульсациями

 8, Заграждающий фильтр с равномерными пульсациями

 9, Оконный КИХ–фильтр

 10, Медианный фильтр

 11, Инверсный f–фильтр

• Теперь добавим необходимые элементы для подключения их к входам каждого фильтра:

 Числовые  элементы управления Numeric ввода данных в форме с плавающей запятой двойной точности для таких параметров как верхняя и нижняя частота среза.

 Элемент window, позволяющий задавать необходимый вид фильтра.

Элемент order, определяющий порядок фильтра и в данном случае устанавливает количество секций первого порядка.

Элемент Convert выводит сигнал генератора для дальнейшего преобразования.

FFT Power Spectrum, т.е. спектр мощности БПФ (быстрого преобразования Фурье) рассчитывает усредненное значение спектра мощности временного сигнала.

Waveform Graphs График осциллограммы – необходимые элементы для зрительного вывода на экран графического изображения результатов эксперимента, т.е. сигнала и спектра до и после фильтрации.

И ещё  один немаловажный элемент window – индикатор, позволяющий выбирать тип фильтра (в настройках указать Constant).

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

35

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Результат построения схемы полосового фильтра представлен на рисунке 9:

Рисунок 9

Вид интерфейса ВП выглядит следующим образом (рис.10):

Рисунок 10 

5 Практическая  часть

На панели прибора задаем необходимые значения частоты, амплитуды и фазы, выбираем тип сигнала, вид фильтра, задаем значения СКО, верхней и нижней частоты  среза, указываем параметры сигнала и порядок фильтра. По желанию можно определить влияние шума на спектр сигнала, нажимая на переключателе нужную операцию.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

36

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 Разраб.

Арискина Е.В.

 

 Пров.

Мясникова М.Г.

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утв.

 

Практическая часть 

Лит.

Листов

46

ПГУ

каф. «ИИТ»

гр.09ПД-1

Например, выберем для эксперимента пилообразный сигнал и сравним на графиках влияние на спектр сигнала  выбора вида фильтра, при условии, что  тип фильтра – полосовой.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

37

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

38

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

39

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

40

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

41

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

 

Выводы:Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

42

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

 

Фильтры Чебышева имеют малую амплитуду ошибки в процессе пропускания, большую крутизну спада в переходной полосе (по сравнению с фильтром Баттерворта), плоскую характеристику в полосе заграждения, а также характеризуются наличием выброса перед переходной полосой. Инверсный фильтр Чебышева используется реже, чем фильтр обычный Чебышева ввиду менее крутого спада амплитудной характеристики, что приводит к увеличению числа компонентов. У него отсутствуют пульсации в полосе пропускания, однако присутствуют в полосе подавления.

Эллиптический фильтр характеризуется самой высокой крутизной в переходной полосе, т.е. очень крутым спадом амплитудной характеристики, поэтому с помощью этого фильтра можно достигать более эффективного разделения частот, чем с помощью других линейных фильтров. Величина пульсаций в каждой из полос независима друг от друга.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

43

ПГУ200102–КР091.02ПЗ

 

ПГУ 1901-КР031.11 ПЗ

Фильтры Баттерворта характеризуются гладкостью частотной характеристики на всех частотах. Они имеют наиболее плоскую характеристику в полосе пропускания и ноль в полосе заграждения.

Сравнение четырех описаных фильтров представлено на рисунке 11:

 

Рисунок 11

Групповая задержка (линейная фазо–частотная характеристика) фильтра Бесселя практически не изменяется по частотам полосы пропускания, вследствие чего форма фильтруемого сигнала на выходе такого фильтра в полосе пропускания сохраняется практически неизменной.

один  из видов цифровых фильтров, широко используемый в цифровой обработке  сигналов и изображений для уменьшения уровня шума.

Медианный фильтр является нелинейным КИХ-фильтром. Значения отсчётов внутри окна фильтра сортируются в порядке возрастания (убывания); и значение, находящееся в середине упорядоченного списка, поступает на выход фильтра. В случае четного числа отсчетов в окне выходное значение фильтра равно среднему значению двух отсчетов в середине упорядоченного списка. Окно перемещается вдоль фильтруемого сигнала и вычисления повторяются. Медианная фильтрация — эффективная процедура обработки сигналов, подверженных воздействию импульсных помех.