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1、-范文最新推荐- DSP测量系统动态特性数字补偿滤波器的设计与实现 摘要本论文综合运用数字补偿技术、计算机仿真技术、DSP技术，研究测量系统动态特性数字补偿滤波器的设计问题。系统阐述了测量系统动态特性补偿的意义和进行数字补偿的一般方法；利用数字补偿方法对一个具体的二阶测量系统进行了数字补偿滤波器的设计，并运用TMS320VC5509DSP处理芯片加以实现，观察表明，得到了较好的补偿效果。6236关键词测量系统 动态特性补偿 数字滤波器 DSP毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign and Implementation of the digital compensation fil
2、ter about dynamic characteristics of Measurement systemAbstractDigital compensation technology, the computer simulation technology, DSP technology were used comprehensively to study the problem of designing and implementation of the digital compensation filter about dynamic characteristics of measur
3、ement system.This paper described the significance of the digital compensation of measurement system and the general approach of designing the digital compensation filter.The paper described a design of digital compensation filter on a specific second-order measurement system using digital compensat
4、ion method,and finally used a digital signal processing chip of TMS320VC5509 to realize the design,and the final effect of the compensation is quite good.KeywordsMeasurement system; compensation of dynamic characteristics;digital filter;DSP目次1 绪论11.1 引言11.2 数字补偿滤波器11.2.1 补偿滤波器的意义11.2.2 数字滤波器的优越性21.2
5、.3 数字滤波器实现的主要途径31.3 本论文的主要工作42 测量系统的动态特性数字补偿基本原理5 1.2 数字补偿滤波器1.2.1 补偿滤波器的意义在动态测量系统设计中，一般的动态特性追求目标是极力拓展其工作频带范围（提高上限，减小下限），以便使测量系统可以适应更多的任务。若是为某项具体的测量任务（被测信号的有效频带大致可估）设计的专用的动态测量系统，则应努力使测量系统的工作频带刚好覆盖被测信号的有效频带，而在被测信号有效频带之外要努力使测量系统的增益减小（理想情况为零），以使在不可避免随机干扰噪声的实测工程应用环境下，获得信噪比比较高的被测信号结果。然而，由于有限可用的转换机理、苛刻的测量
6、环境等因素的限制，要使测量系统中与被测对象直接关联的传感器环节达到任意要求的工作频带往往非常困难。与传感器适配的常规信号调理单元，由于要满足传感器正常工作的一系列要求，通常难以同时承担改善测量系统动态特性的重任。因此，在成熟的动态测量系统中，除了保证信号形式转换和可读的基本环节外，通常会专门安排调整系统动态特性的环节-动态补偿滤波器。通常所说的滤波器，功能主要是针对测得信号中不同频率的部分进行滤波处理，滤除噪声或无用信号，得到有用有用信号。而本文所研究的动态补偿滤波器主要是针对已知的固有测量系统进行专门的动态特性补偿的一种滤波器19。1.2.2 数字滤波器的优越性滤波，本质上是从被噪声畸变和污
7、染了的信号中提取所携带的信息的过程。如果滤波处理是针对模拟信号进行的，即是以模拟信号通过用模拟器件构造的网络，或者对模拟信号进行模拟量的计算，也可称之为模拟滤波；如果滤波处理的主要过程是针对数字信号进行的，即是让数字信号通过由数字元器件或数字信号处理器（Digital Signal Processor，不妨缩写为DSPor）构造的网络，或者对数字序列直接在计算机中进行运算的，可以称之为数字滤波11。 (4)易于大规模集成:因为数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成，大规模生产，且数字滤波电路主要工作在截止或饱和状态，对电路参数要求不严格，因此产品的成品率高，价格也日趋降低。相对于模拟滤波器，
8、数字滤波器在体积、重量和性能方面的优势已越来越明显。比如在用一些用模拟网络做的低频滤波器中，网络的电感和电容的数值会大到惊人的程度，甚至不能很好地实现，这时候若采用数字滤波器则方便的多。(5)并行处理:数字滤波器的另外一个最大优点就是可以实现并行处理，比如数字滤波器可采用DSP处理器来实现并行处理。TI公司的TMS320C5000系列的DSP芯片采用8条指令并行处理的结构，时钟频率为100MHZ的DSP芯片，可高达800MIPS(即每秒执行百万条指令) 17。1.2.3 数字滤波器实现的主要途径数字滤波器的实现方法一般有以下几种:(1)在通用的计算机(如PC)上用软件(如c语言)实现。软件可以
9、是由自己编写，也可以使用现成的软件包。这种方法的缺点是速度太慢，不能用于实时系统，主要用于DSP算法的模拟与仿真。(2)在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法不便于系统的独立运行。(3)用通用的单片机实现。单片机的接口性能良好容易实现人机接口。由于单片机采用的是冯诺依曼总线结构，系统比较复杂，实现乘法运算速度较慢，而在数字滤波器中涉及大量的乘法运算，因此，这种方法适用于一些不太复杂的数字信号处理。(4)用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP有着更适合于数字滤波的特点。它利用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特点，并有专门设计
10、的适用于数字信号处理的指令系统等。(5)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，而通用DSP芯片很难实现，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无须进行编程。 总的目标是使得合成系统 对于被测信号x(t)动态失真减小到工程应用可以忽略的程度，或者起码明显小于原系统 对被测信号x(t)的动态失真。若不考虑噪声干扰的影响，动态测量应该追求的“理想”目标应该是 （k为测量系统的公称增益），这是一个“理想”的全通测量系统，它对任何测量信号都不会产生动态失真。如果在动态测量时要求达到 的“理想”
11、境界，则应当串接的补偿环节应为：/H(s) (s)(2-2)如此“理想”要求的动态特性补偿方案在理论上是可以实现的，但也只能无限地逼近，并且可能花费很大。一个现成的测量系统 可用于测量信号x(t)，但H(s)的工作频带 不能够完全覆盖信号 的有效频带 。现成测量系统 通常是由相关传感器及其信号适配单元（放大器等）构成的有机整体，要求的动态特性补偿环节 一般只能串接其后，不便嵌入其中。在测量系统 的输入端，不可避免地会混入噪声干扰 ，使得测量系统的实际输入信号为 ；在测量系统输出信号 后,也不可避免地会混入噪声干扰 ，使得动态特性补偿单元 实际输入的信号为 ；经动态特性补
12、偿后的输出信号为 ，动态特性补偿的目标是希望 相对 的动态失真达到工程应用可以忽略的程度19。若是动态补偿滤波器按式（2-2）的理想情况设计，由于在本来也没有被测信号有效分量的高频范围内，原测量系统H(s)的增益十分微小，而为了达到 的全通效果，补偿单元 须在这些频段上取得巨大的增益，结果极大地放大了噪声，补偿结果 将几乎是一片噪声，得到的补偿结果是没有实际价值的。 采取适当的数字仿真方法由要求的 构建相应的仿真数字系统，则在f≤ /2 （ =1/ 为ADC的离散采样频率)的频率范围内， 可以充分接近 ，达到比较理想的补偿效果-使补偿结果 相对被测信号 的动态失真可以忽略不计。上述在测量
13、系统动态特性数字补偿方法中应用的仿真数字系统 其实就是一个特殊的数字信号滤波器，通常称为（系统动态特性）数字补偿滤波器1。2.2.2 数字补偿的优势由于现代数字系统的方便易用性，使动态特性的数字补偿方法得到了广泛的应用！尤其对那些补偿特性要求 比较复杂的系统，如果用模拟补偿会十分困难，若用数字补偿，则通常易如反掌。此外，现代测量系统通常都采用数字化的信号输出—自带ADC、将模拟信号 数字化为 输出，此时数字补偿便只须由构建的数字补偿滤波器 直接处理原测量系统的输出信号 ,而将处理结果 替代 输出即可，也不必另加DAC变换成 了。如此情形，数字补偿实际比模拟补偿来的更简便。数字补偿方
14、法的主要限制是f≤ /2，不过，基于现代的技术水平，ADC的离散采样频率 达到数十kHz并不困难，高可达到数百MHz。因此，数字补偿方法适用于一般机电测控系统的动态补偿是不成问题的1。3 数字补偿滤波器的总体设计3.1 待补偿测量系统针对一个典型二阶测量系统，其传递函数为：其中， 为系统的固有(角)频率， 为阻尼比， 为静态灵敏度。假设通过系统辨识等方法获得某典型二阶测量系统的各项参数分别为 ， ， ，则其具体的传递函数为：根据该传递函数，用matlab画出该系统的幅相频曲线如图（3-1）所示。3.2 数字补偿方案设计对二阶系统传递函数进行双线性变换，利用matlab函数sysd = c2d(H,0.0002,'tustin')，离散采样时间为0.2ms，得到： （3-3） 11 / 12
