LabVIEW計數(shù)濾波器在信號降噪中的應(yīng)用

0 引言

方波頻率信號具有工作穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，便于與計算機(jī)接口等一系列優(yōu)點， 因此在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場的工業(yè)現(xiàn) 場環(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 類干擾具有干擾力強(qiáng)、無規(guī)律的特點，嚴(yán)重影響測量信號的準(zhǔn)確性。

實際應(yīng)用中，一般采用隔離技術(shù)來消除方波頻率信號中的傳導(dǎo)干擾，但當(dāng)空間的電磁輻 射干擾較為強(qiáng)烈時，單純的隔離技術(shù)難以達(dá)到有效降噪的目的。通過增加硬件脈寬數(shù)字濾波 電路可以達(dá)到抑制或消除高頻信號中的尖峰干擾，但需增加設(shè)備成本、且安裝調(diào)試繁雜。

本文采用LabVIEW 進(jìn)行伺服電機(jī)位置、速度、轉(zhuǎn)矩等信息傳送的采集，以對多軸伺服 系統(tǒng)的同步/協(xié)調(diào)性能進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場測試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號受到嚴(yán)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(shù)濾波器相結(jié)合，設(shè)計 實現(xiàn)了可靠、便捷的方波頻率信號濾波，工程實踐表明，該方法能有效降低傳導(dǎo)干擾和輻射 干擾對頻率測量精度的影響。

1 計數(shù)濾波原理

計數(shù)濾波器(Counter Filters)，也稱為脈沖寬度濾波器，主要采用計數(shù)的方法來實現(xiàn) 數(shù)字濾波。尖峰干擾的頻率往往比方波信號要高很多，因此當(dāng)脈寬小于某一設(shè)定值時，不可 能是真實的高頻方波脈沖信號，應(yīng)給以濾除，從而抑制線路上的尖峰干擾。這也就是脈寬數(shù) 字濾波電路的工作原理。

以NI 公司M 系列PCI-6221 數(shù)據(jù)采集卡為例，其輸入信號、基準(zhǔn)時鐘信號、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(zhǔn)時鐘，預(yù)置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當(dāng)原始輸入信號由低變高后，基準(zhǔn)時鐘信號開 始被計數(shù)，當(dāng)檢測到的脈沖寬度小于125ns 時，確定為尖峰干擾，不予輸出，當(dāng)輸入信號寬 度大于預(yù)置濾波寬度時，濾波器輸出方波供后序電路處理。從圖1 可以看出，短時的脈沖干 擾得到很好的濾除。

NI 公司在M 系列測試設(shè)備對Counter Filters 功能的應(yīng)用上提供了三項可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應(yīng)的配置參數(shù)見表1。濾波脈寬的選擇是影響計數(shù)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(shù)字信號分離;太大將會使高頻數(shù)字信號失真，所以應(yīng)用中 應(yīng)根據(jù)實際現(xiàn)場情況，選擇適當(dāng)?shù)臑V波脈寬。

2 LabVIEW計數(shù)濾波方法

2.1 LabVIEW開發(fā)環(huán)境

基于G 語言的圖形化編程環(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(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺，同時也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件 集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢之一就是針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析和 數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需直接調(diào)用，就可免去自己編寫成 的煩瑣。

針對數(shù)字信號的采集及噪聲信號的濾波， LabVIEW 提供了一套數(shù)據(jù)采集的 NI-DAQmx VI(模板)以及多功能的屬性節(jié)點等模板，使得計數(shù)濾波器的軟件實現(xiàn)變得更 高效且操作簡單。NI-DAQmx 即數(shù)據(jù)采集測試服務(wù)軟體，是數(shù)據(jù)采集驅(qū)動軟件發(fā)展的新一 代產(chǎn)品，可幫助用戶更快速創(chuàng)建、測試并發(fā)布使用高性能的測量應(yīng)用程序，也是NI 測量服 務(wù)軟件的核心。