超声波收发电路数字滤波器仿真设计与DSP实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.46MB 58 页 15积分
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摘要
滤波器可以有效地抑制带外噪声,均衡所使用频带的幅度,相位特性等。
此它在通信,控制及信号处理等领域都发挥着重要作用,被广泛应用于通信,
据采集,自动控制等各类电子系统中。随着电子技术,特别是微电子技术的发
传统的手工计算被计算机所取代,以往的模拟信号处理方式也被数字信号处理
代替。这些变革给滤波器的设计理论和设计方法带来了深刻的变化。
数字滤波器设计一直是数字信号处理领域的重要研究课题。它与模拟滤波
比较,具有灵活、高精度、可靠性好、体积小和重量轻,不要求阻抗匹配及可实现
特殊功能滤波等优点。其中 IIR(无限冲激响应)数字滤波器因具有结构简单、占用
存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用较低的阶数实现较好的选频特
性等特点,在生物医学、现代通信及消费电子等领域得到了广泛的应用。本文研究
的超声波收发电路数字滤波器仿真设计与 DSP 实现,在详细分析超声波收发电
的滤波器要求后进行了 IIR 数字滤波器的仿真设计与选型,用 MATLAB 仿真软件
调用子函数法、FDA 具法设计规定指标的滤波器,并给出仿真结果;最后采用
TI 公司的 C54 系列的 TMS320C5402 DSP(数字信号处理器,以下简称 DSP
验板IIR 字滤与仿一致性以
发电路中的实际效果及应用前景。
关键词:超声波收发电路 IIR 数字滤波器 MATLAB 仿真 DSP 实现
ABSTRACT
Filter can effectively suppress noise band, balance the range and phase
characteristics of useful frequency bands, so it plays important role in communications,
control and signal processing fieldsFilter technique is widely used in communications,
data acquisition, automatic control of various electronic systems. With electronic
I
technology, especially the developing of microelectronic technology, the traditional
manual calculation has been replaced by computer, the analog signal processing
methods have been replaced by digital signal processing. These changes have brought
profound changes to the theories and methods of the filter design.
The design of digital filters has been an important problem of digital signal
processing. Compared with the analog filters, it is more flexible, higher accuracy, good
reliability, small size and light weight, it does not require impedance matching and
achieves the advantages of special features. IIR (Infinite Impulse Response) digital
filters achieve better characteristics for its simple structure, less storage space,high
computing speed, high accuracy.And it can achieve better frequency characteristics with
lower order. For these reason digital filters has been widely used in the biological
medicine, modern communications and consumer electronics and other fields. In this
paper, I have researched the simulation of digital filters in the ultrasonic transceiver
circuit and DSP realization. First I have found he relevant requirements of IIR digital
filter design in the ultrasonic transceiver circuit ,then I have selected the MATLAB
simulation software as the simulation tool.Respectively, I have used the method of
compile program and FDA tools to design the filter indicator, and given simulation
results. Finally I adopt TMS320C5402 DSP(digital signal processor, hereinafter referred
to as DSP)demo board, to achieve the design of IIR digital filter, and to discuss the
consistency of the simulation results, as well as in the ultrasonic transceiver circuit and
the actual results.
KeywordsUltrasonic transceiver circuit, IIR digital filter, MATLAB
simulation, DSP realization
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 .....................................................................................................................1
§1.1 课题研究的目的和意义.......................................................................................1
§1.2 国内外发展现状...................................................................................................2
§1.3 论文主要内容与关键技术...................................................................................5
§1.4 本章小结...............................................................................................................6
第二章超声波收发电路中滤波器的基本要求及测算...................................................7
§2.1 超声波和超声波传感器的原理及特点...............................................................7
II
§2.1.1 超声波原理及特点.......................................................................................7
§2.1.2 超声波传感器原理及特点...........................................................................7
§2.2 超声波流量计的原理与测量方案分析...............................................................8
§2.2.1 超声波流量计的主要特点...........................................................................8
§2.2.2 超声波流量计测量原理分析.......................................................................8
§2.2.3 超声波收发电路设计方案分析.................................................................13
§2.3 超声波收发电路中滤波器设计.........................................................................16
第三章数字滤波器仿真设计方案与主要性能.............................................................19
§3.1 数字滤波器特点分析.........................................................................................19
§3.2IIR 数字滤波器设计流程及选型........................................................................19
§3.2.1 IIR 数字滤波器的设计特点.......................................................................19
§3.2.2IIR 滤波器的设计流程................................................................................20
§3.2.3IIR 数字滤波器的类型................................................................................21
§3.3IIR 数字滤波器的设计方法概述........................................................................25
§3.3.1 用脉冲响应不变法设计 IIR 数字低通滤波器..........................................25
§3.3.2 用双线性变法设计 IIR 数字低通滤波器..............................................26
§3.3.3 IIR 数字低通滤波器的直设计法.........................................................26
§3.3.4 频带变..........................................................................................................27
§3.4IIR 数字滤波器性能指标............................................................................27
§3.5MATLAB 工具软件介绍.....................................................................................27
§3.6 滤波器设计与分析工具 FDATool.....................................................................28
§3.7 应用 MATLAB 设计 IIR 滤波器........................................................................30
§3.7.1 采用 MATLAB 子函数设计.......................................................................30
§3.7.2 采用 FDA 工具设计...............................................................................33
§3.7.3 IIR 数字滤波辅助设计软件界面设计.......................................................34
§3.8 SPTool 设计的 IIR 滤波器.....................................................................38
章数字滤波器的 DSP 实现....................................................................................41
§4.1 IIR 数字滤波器在 DSP 的实现步骤..................................................41
§4.2 DSP 的设计.........................................................................................41
§4.3 TMS320C5402 ...........................................................................................46
§4.4 DSP 软件程与发工具.........................................................................48
§4.4.1 软件.............................................................................................48
§4.4.2 软件集成开环境.....................................................................................49
§4.4.3 模拟器和仿真器.........................................................................................49
§4.5 IIR 滤波器在 DSP 的实现..............................................................................51
§4.5.1 建立 DSP 汇编IIR 滤波器系数文件.............................................51
§4.5.2 生滤波器输入信号的文件.....................................................................51
§4.5.3 Simulator IIR 滤波器的汇编................................................51
§4.6 实现 IIR 数字滤波器的 DSP 实验板结构.........................................................52
§4.6 .1TMS3105402DSP 实验板时钟及外设......................................................52
§4.6.2 D/AA/D DSP 连接................................................................54
§4.7IIR 数字滤波器在 DSP 的实现结果与分析...................................................56
§4.7.1IIR 数字滤波器 DSP 实现步骤...................................................................56
III
§4.7.2 数据分析.....................................................................................................57
结论与体........................................................................................................60
参考.........................................................................................................................61
IV
第一章绪论
第一章 绪 论
§1.1课题研究的目的和意义
周知,信号与信号处理是信息科学中近十几年来发展最为迅速的学科之
许多工程领域都会涉及信号处理题,信号的式也是多种多样包括声,
电,等。通得的原信号大多为模拟信号,在幅度与上连续据不
的实际应用情况于模拟信号处理,可以采用模拟系统,也可以采用数字系
统,当今的应用中,数字信号处理系统于其自的优点得到了广泛
的应用。WagnerCampbell1915年首次提出无滤波器概此滤波器开始
了自蓬勃发展。滤波器发展的最于微电子工的发展,现代计算
机,DSP,大规模可逻辑器件,高速D/A的出现,快了滤波器的数字化进程。
数字滤波器与模拟滤波器相比,具有精度、定、体积小、重量轻、灵活,不要求
阻抗匹配以及能实现模拟滤波器无法进行的特殊功能滤波等优点。因此它在通信,
控制及信号处理等领域都发挥着重要作用,被广泛应用于通信,数据采集,自动控
制等各类电子系统中。
数字滤波器在测控系统中的应用就很值我们于本工作多从事
字信号处理的相关内容结合检测与自动化装置的研究方我考虑将数字滤波器的
设计应用于超声波测技术方用超声波测技术可以测量位、流量、
度、度等数也可以用于探伤。超声波测在安装维护上很大性,可
以选体、体、体作传声介质,有较应性,不能定点及连续
可进行测。不论是哪种非电量的测都基于用超声波在介质中的声
的变化特别是声速的测量。既然要测量声速,就必须把超声波发来,所
以超声波收发电路就显尤为重要。因此本文研究的超声波流量计的超声波收发电
路中,希望超声波收发电路中数字滤波器的设计应用高系统信噪比从而进一
步提高超声波流量计的测量精度。基于以的理本课题的研究有比较好的经济
与实用价值
数字滤波器的应用要以数字信号处理的理论为支撑虽然数字信号处理理论
发展速,20世纪80代以前,于实现方法的限制,数字信号处理得不到
广发的应用。直到20世纪80初世界上第一DSP芯片生,才将
理论结果广泛应用到低本的系统中。可以夸张DSP芯片生及发展
测控领域的发展分重要的作用。DSP芯片含多元化的接口,以
为核心的设提供更为多样化与全面的系统功能且编程方便定性好,精度
高,可重性好,集便。因此本文出研究超声波收发电路中数字滤波器仿
真设计与DSP实现滤波电路设计方过利DSP芯片的相关技术应用
到超声波流量计的超声波收发电路中;通软件程的滤波器实现方式高信噪比
改善流量计的性能,从而好的经济建服务,以期达预期好效果。
1
超声波收发电路数字滤波器仿真设计与 DSP 实现
§1.2国内外发展现状
从古至今一直在研究用声波测量体和体的流速,直到二次世界大战为
的进展。发的技术革新首先,
[7,8],应用声循环(两组)马克森流量计(MAXSON FLOWMETER)1955年首先
为航燃料用流量计得到应用[9]。这激了用超声波测量流量、流速技术的
速进,如上所述,很多进行了研制,结果出现了[10] 射束[11]
等等。以后一段时期虽然继续进行了研制[12,13],实用的计量测试仪器并占有宰固
的地位。进十世纪七十年代以后,IC(电路)技术的迅猛发展,可以使用
高性能、工作非常稳定的PLL ()路技术,因此生了技术用于流
量计的设[14],结果,陆续出现了作实用计量测试仪器的超声波流量计[15,16]
,随着声循环法的发展,PLL()技术的超声波流量计在实际中也得
到了广泛应用。一方,在前苏联虽然也广泛地进行了理论究,论述了基于流
速分的流量修正系数[17]般说,包括西欧各国在内,其研究创新如美
国进行的活十世纪五十年代后期开始研究用超声波测流量、流速;
研究相位[18]-[21]研究了声循环()[22,23]19641第一
用的超声波流量计开始。其后,经过了一些实流[24],和文流量计、电
流量计等一起大量地应用到流量测量中。于使用达种方法可以管道
量流量,所以在发电中被用来测量水轮机效[25] ,, 力会
其作便式流量计来使用,并制定了测指[26]。以后,进行了采用了声循环
法的超声波流量计的研制[27,28],也进行了明渠流、速等的测量[4,5]。其后不
使用PLL()技术的超声波流量计了主的、大口径管道用的计量测试仪
[29,30]为止,我们的主是传速度,而另重要方法是普勒法。
普勒法最是在船舶或舰艇用来测量,海底或水中的悬浊物被用超声波
漫反射源[31] 这一技术也在医用的流测量中得到应用[32],现在被看做
的、无侵袭临床测量流的重要手。可是,在工计量测,使在
以外的国得到太多的应用,本也80开始在下排水的流量测量
中使用[33 ,34]是,普勒流速变化的灵度较其方法好得,得重
于现超声波流量计的设计能化,集化。因此数字滤波器
在超声波流量计中的应用占有更为重要的地位。数字滤波器具有比模拟滤波器
高的精度,能够实现后在理论也无法到的性能。于数字滤波器
说很能够到一1000Hz的低通滤波器许999Hz信号通
1001Hz的信号,模拟滤波器难区接近的信号。同时,数字滤波器相比模
拟滤波器有高的信噪比。这主要是因数字滤波器一般由存器、器、
器和法器等基本数字电路实现,通这些数字运算器件对输入的数字信号进行运
算和处理,实现设计要求的特性,从而避免了模拟电路中噪声(噪声)的
数字滤波器中主要的噪声是在数字系统前的模拟电路的电路噪声以及在数
字系统输入的模数转换过程中生的量化噪声。这些噪声在数字系统的运算中可
,因此在设计数字滤波器时需要采用合适的结构,以输入噪声
统性能的响。外,数字滤波器具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模拟
滤波器的电子件的电路特性随着间、度、电的变化数字电路
就没有这种问题。要在数字电路的工作环境下,数字滤波器能够定可靠的工
2
摘要:

摘要滤波器可以有效地抑制带外噪声,均衡所使用频带的幅度,相位特性等。因此它在通信,控制及信号处理等领域都发挥着重要作用,被广泛应用于通信,数据采集,自动控制等各类电子系统中。随着电子技术,特别是微电子技术的发展传统的手工计算被计算机所取代,以往的模拟信号处理方式也被数字信号处理所代替。这些变革给滤波器的设计理论和设计方法带来了深刻的变化。数字滤波器设计一直是数字信号处理领域的重要研究课题。它与模拟滤波器比较,具有灵活、高精度、可靠性好、体积小和重量轻,不要求阻抗匹配及可实现特殊功能滤波等优点。其中IIR(无限冲激响应)数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用...

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作者:陈辉 分类:高等教育资料 价格:15积分 属性:58 页 大小:1.46MB 格式:DOC 时间:2024-11-19

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