平滑与数字滤波实验.docVIP

实验四 平滑与数字滤波实验 §4.1 微分与平滑 一．实验要求 搭建如图所示系统，验证微分运算对系统阶跃响应性能的影响。其中环节D Z 即为利用微机实现的微分运算环节。R为阶跃输入信号，C为系统输出。 二．实验说明 微分是正反馈，当取合适的微分时间常数时，会使系统响应加快。但若微分时间常数过大，则会影响系统稳定性。 在计算机中，微分算法采用一阶差分化替： （TD为微分时间常数，T为采样周期） 微分平滑算法采用四点微分均值法： YK 其中各系数P1、P2、A1、A2、A3的取值范围为0～1.0。系数不能大于1，也不能太小，过小将使微机控制环节失去控制作用。 微机编程实现以5ms为基准的延时，调整延时的时间长度并以此作为A/D采样周期T。 三．实验步骤 接线：实际系统线路如图所示。 使用运放模块从左到右由A2,A4构造图中的模拟运放环节，系统输出点C 接A/D转换模块B5的IN6，搭建D/A转换单元，最后10K电阻由A6提供，A6中的有两个H孔，由板子上的连线可以看出一个H与8孔座中的上面4个孔相连，而另一个H与下面4个孔相连，所以最后10K的构建，只要将D/A转换单元的输出端（OU）连接一个H端，而另一个H端连接到A2的IN端并在8孔座中插入10K电阻即可。 B4信号发生器模块的输出点OUT作为输入点R，B4信号发生器模块中的S和ST用短路套短接，S1置阶跃档，S2置0.2-6s档，调W8使周期约2S，调W9使幅值约4V。 示例程序：微分见Cp4_1源文件。微分平滑处理见Cp4_2源文件。 运行虚拟示波器。（方法参见实验1中的运行虚拟示波器方法）. 现象： ①运行程序Cp4_1。用CH1或CH2观察系统阶跃相应输出点C的波形。与不加微分反馈环节情况下（不加微分环节的情况只需将反馈环节断开即可）输出点C的波形相比较,如果现象不明显可调节B4中的W8,W9，并绘制出两者的输出曲线。 ②运行程序Cp4_2。观察平滑后系统阶跃相应输出点C的波形，适当调节周期T和各系数的值。与 不加平滑处理 的单纯微分反馈环节情况下输出点C的波形相比较，并绘制出相应的相应输出曲线。 如果现象不明显可调节B4中的W8,W9。.以下提供图形仅供参考。 §4.2 数字滤波 一．实验要求 微机对含有干扰的正弦信号（约0. 5-1Hz）采样输入，然后进行数字滤波处理，以保留正弦信号，去除干扰，最后转换成模拟量输出。 编制程序实现数字滤波，调整滤波环节的参数，以得到较理想的滤波结果。 二．实验说明 1．关于数字滤波：一个计算机数据采集系统在生产过程中会受到各种干扰，从而降低了有用信号的真实性。虽然在输入通道上接入一个RC低通滤波器来抑制工频及其以上频率的干扰，但对频率很低的干扰却由于制作上的难度而难以实现。采用数字形式来模拟RC低通滤波器的输入输出数学关系，可以得到较好的效果。 常用数字滤波的方法有多种，如限幅滤波、限速滤波、算术平均滤波、中值滤波及本实验使用的惯性滤波等。应该根据实际情况来选择合适的滤波方法。 2．模拟带有尖脉冲干扰的正弦信号 用RC电路将B4模块的555电路输出方波（S端）微分，将此微分信号视作干扰，再用B9 正弦波单元产生的正弦波，两信号迭加，即产生含有干扰信号的正弦波（注意峰值不要超过±5V，以免A/D采样溢出）。 3．惯性数字滤波器的计算 要求设计一个相当于1/τS+1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式: YK （1-a）XK +（a）YK-1 XK：输入，YK输出，T：采 样周期，1-a T/τ。 4. 加权平均值算法为： YK A1XK + A2XK-1 + A3XK-2 + A4XK-3 式中 其中XK：输入，YK输出。 三．实验步骤 接线：如下图所示， ① 如图－2，模块B4的ST和+5V通过短路套连接，S和NC之间接入1u电容；NC和GND之间接入1k电阻（均使用分立元件）。NC接出作为干扰信号（图中点2）。S2置于中档，调W8使信号周期约为50ms ② 模块B9的输出SIN（0.5Hz左右）作为输入信号（图中点1）。 ③ 使用运放模块A3和A5单元中的可变电位器构造图中的加法器部分。运放输出接B5 A/D模块的输入IN6（+5V输入）。 ④ 调整1，2端对应的两个电位器，使叠加的波形符合峰值要求。 搭建D/A转换单元。输出点即为滤波处理后的模拟信号。 示例程序：模拟一阶惯性环节的数字滤波见Cp4_3源文件。四点加权平均数字滤波见Cp4_4源文件。 运行虚拟示波器（方法参见实验1中的运行虚拟示波器方法）.。 现象：如果使用虚拟示波器观察，可以用虚拟示波器的CH1和CH2分别观察滤波前和滤波后的波形进行比较，但虚拟示波器是通过A/D0809采样得到，所以现象不很明显，建议用一般示波器观察。 ①模拟一阶惯性环节