LabVIEW計數濾波器在信號降噪中的應用

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，便于與計算機接口等一系列優(yōu)點， 因此在現代測控系統中得到廣泛地應用。但是在一些高電壓、大電流、高頻電磁場的工業(yè)現 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、無規(guī)律的特點，嚴重影響測量信號的準確性。

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

本文采用LabVIEW 進行伺服電機位置、速度、轉矩等信息傳送的采集，以對多軸伺服 系統的同步/協調性能進行監(jiān)測?，F場測試中，扭矩傳感器輸出的方波頻率信號受到嚴重尖 峰脈沖的干擾，這里將光電隔離技術與基于LabVIEW 環(huán)境編譯的計數濾波器相結合，設計 實現了可靠、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干擾和輻射 干擾對頻率測量精度的影響。

1 計數濾波原理

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

以NI 公司M 系列PCI-6221 數據采集卡為例，其輸入信號、基準時鐘信號、經濾波后 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生的40MHz 頻率作為濾波器的 基準時鐘，預置濾波脈寬為125 ns (N = 5)，當原始輸入信號由低變高后，基準時鐘信號開 始被計數，當檢測到的脈沖寬度小于125ns 時，確定為尖峰干擾，不予輸出，當輸入信號寬 度大于預置濾波寬度時，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 系列測試設備對Counter Filters 功能的應用上提供了三項可選濾波脈沖寬 度的選擇，相應的配置參數見表1。濾波脈寬的選擇是影響計數頻率濾波器濾波效果的關鍵， 脈寬太小，部分干擾信號不能與數字信號分離;太大將會使高頻數字信號失真，所以應用中 應根據實際現場情況，選擇適當的濾波脈寬。

2 LabVIEW計數濾波方法

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)新軟件產品，它是一種 功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，同時也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件 集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢之一就是針對數據采集、儀器控制、信號分析和 數據處理等任務設計提供了豐富完善的功能圖標，用戶只需直接調用，就可免去自己編寫成 的煩瑣。

針對數字信號的采集及噪聲信號的濾波， LabVIEW 提供了一套數據采集的 NI-DAQmx VI(模板)以及多功能的屬性節(jié)點等模板，使得計數濾波器的軟件實現變得更 高效且操作簡單。NI-DAQmx 即數據采集測試服務軟體，是數據采集驅動軟件發(fā)展的新一 代產品，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用程序，也是NI 測量服 務軟件的核心。