数字滤波技术的工频选频表设计软件子系统(附件)
论文围绕数字选频表开展理论研究与软件设计，阐述了课题的研究背景和研究意义，大体介绍了选频表技术的发展概况与发展趋势。介绍了选频表的设计思想和设计步骤，分析了系统基本结构，并且介绍了选频表系统实现的功能和控制原理。对滤波器的类型做了比对选择，根据滤波器的各方面的优点确定选用IIR滤波器。对数字滤波器的滤波算法做了介绍，并根据所选用的滤波算法对数字滤波器进行了分析设计，确定了所选用的数字滤波器，根据各项参数指标对数字滤波器在软件上实现其模型设计。利用MATLAB软件对数字滤波器进行模拟设计并且对仿真结果做出分析，通过得到的数据进行比对和计算，从而逐步确定所设计的数字滤波器的性能并且最终达到了设计要求。对各个子程序模块做了相关的流程设计，并详细说明了子程序模块在运行时的功能。根据所采用的硬件对几个重要的子程序模块做了程序代码的编写，确保了软硬结合能够顺利的进行。关键词：选频表，数字滤波器，滤波算法 目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 4
2 数字选频表的软件总体设计 4
2.1 数字选频表的设计思想 4
2.2 总体功能 5
3 数字滤波器的选择以及数字滤波算法的确定 5
3.1 数字滤波器 5
3.2 数字滤波算法 6
4 IIR数字滤波器仿真 8
4.1 IIR 数字滤波器设计工具 9
4.2 滤波信号仿真 11
5 软件设计 18
5.1 总体流程图 19
5.2 信号采集子程序模块 20
5.3 键盘设定子程序模块 21
5.4 数字滤波子程序模块 22
5.5 量程自动选择子程序模块 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 28
1 绪论
电力系统现如今已经无处不在，只要是有工艺生产的地方便会有电力系统的运行，电力早已经称为这个时代不可或缺的能源之一。在科技进步的时代，其作用无疑是将一项
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滤波子程序模块 22
5.5 量程自动选择子程序模块 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 28
1 绪论
电力系统现如今已经无处不在，只要是有工艺生产的地方便会有电力系统的运行，电力早已经称为这个时代不可或缺的能源之一。在科技进步的时代，其作用无疑是将一项又一项大型工程推向新的高峰。随之产生的电力质量等诸多问题也随之诞生，工作仪器的正常用电决定着整个工业体系平稳运行。因此众多对电力系统检测装置也应运而生，确保各种用电系统能够正常平稳运行，从而打造一个更为安全的电力系统。
1.1 课题研究背景和意义
现如今是一个科技的时代，随着科学技术的飞速发展，电力、电气在科学领域中得到了长足的发展。尤其是在最近十年，有关电力的各行业都在飞速发展，比如工艺制造业，材料的加工，电力输送装置行业以及电力测量行业等等。另外现在的电力系统的规模与曾经相比也是大不相同，规模逐渐扩大、结构越来越复杂，输电线路电压也不断升级，等级也日益渐高，用户设备也得到改进，精度越来越高。随之诞生的带电力、电子仪器的种类也越来越多，设备的性能也越来越得到优化，其运行质量也越来越受到业内人士的普遍关注。可以说现在的时代是电气、电子的时代。然而，电气、电子行业的发展过程成中必然也伴随着诸多问题。电力运行系统中，随之诞生的工频干扰[1] 就是问题之一，工频干扰几乎遍布在正常的供电环境中，在各种工业现场中，工频干扰的问题更为严重。工频干扰是测量系统中一种干扰正常工作的干扰信号，在检测有用的信号时，干扰信号会对有用信号的检测起到干扰作用。为了达到高质量的检测效果要在检测有用信号的时候，考虑到干扰信号的影响，并且要最好要能够滤除工频干扰。
电气行业在飞速发展，电力系统中有着许多的地方要进行检测。在诸多工业现场中，为了保证电气设备，输电线路安全正常的运行，都要对仪器设备、输电线路等进行多种检测。工频干扰在电力运行系统中产生的危害也逐渐受到人们的关注，因此对于检测设备的精度以及要求也相对提高了许多，从而达到设备运行的同时把其他可能出现的问题以及危险降到最低点。在这种情形下，基于数字滤波技术的工频选频表便发挥了其在检测中的优势，利用其数字滤波的特点，在工作时候它能够针对特定频率的信号进行检测，从而滤除其它频段的频率，提高被测信号的质量。同时，它也兼备着量程自动选择的功能，可以适用于不同电压、电流领域中的测量工作。当然，数字选频表容许的测量误差也相当小，这样才能够保证测量的有效性，从而达到令人感到放心的测量，这样在工作的时候才能够确保对电力仪器设备实施有效的检测。
电力运行系统中，工频干扰的问题已经引起了更多的人的关注，现在已经成了额不容忽视的问题。选频表利用其优势能够有效的解决电力测量中工频干扰的问题，而且其测量质量的也能够得到保证，其测量的精度准确、操作简便、设计简易、应用场合广等优点在未来的电子市场必然会有广阔的发展前景。
1.2 研究现状和发展趋势
为了能够有效的解决电力系统中检测时工频干扰带来的诸多影响，选频表的诞生无疑为此工作带来了巨大的改变。同时实现选频表的设计领域也出现了各种高新技术。现如今智能化选频表已经得到了应用，传统的选频表大多采用采用多级变频滤波处理，但是其结构相当复杂，并且需要人工手动调节,其窄带滤波器的通带宽度约为20Hz。而采用离散 Fourier变换[2]，在采用适当函数的条件下极易得到几赫兹的窄带滤波效果。这就大大的提高了装置的测量精度。当然尽管数字滤波技术也可以直接使用，但考虑到待测信号变频后可能会发生偏差，变频后的中频信号频率与数字带通滤波器的中心频率可能会与预想不相吻合，在考虑到以前的数字滤波技术的发展并不是很高。因而，在当时要想利用数字滤波技术进行选频表的设计除非使用锁相技术将带通滤波器的通频带压得很低，不然光是这一个问题就很难解决。由于上述的问题存在，便有了使用DFT分析这一方法，这种分析方法并不需要精确的指定某一频率，而且只是需要频率的大致的范围，就能够测量出该信号的电平，在测出信号电平的同时也能够测量出该信号的具体频率。只要将工作的方式设置成扫频方式，就可以很方便的得到各种频率分量在信号中的分布。给定标准的直流电平即可以对整机实现定标[3]。
近年来，部分厂家已经研制出更为先进的选频表，为了提高选频表测量的稳定性以及其测量精度，数字直接合成技术已经被最大化利用。采用这项国际先进的技术便能够使选频表的频率稳定性得到大大的改善，并且能够极大的提高其测量的精度。选频表已经向着小型化、通用化的方向发展，比如江苏宏图高科采用数字直接合成技术研制生产的 GK5010 型数字选频表便大大提高了选频表的性能指标[4]。目前在国内，选频表的研究已经受到众多研究人员的关注，其中有大部分的研究人员致力于选频表的改进工作中。采用单片机技术的改进中，有部分人选择采用转轮表的功能从而改变频率的方法，但由于传统的仪器采取的是模拟器件产生频率[5]，利用此方法存在这诸多不便，利用转轮这种设计方法在测量的时候显示数据和读取数据存在着很多问题，这种方法必须还要配合着数字显示模块以达到测量数据的读取，这便大大提高了工作效率。目前采用数字显示模块来设计选频表的方法也逐渐被采用，但是新的问题是，每次进行测量的时候都
要调整好准确想要步长，这又是一大延缓工作效率的问题。为了能够使选频表能够高效的工作，不仅能够方便读取数据还要更能够自动切换量程，这将是一个新的研究高度。经过不断的研究与探索，不久之前的数字化的选频电平表已经实现了自动变步长功能了[6]。这项研究成果无疑又把选频表的发展又向前推了一大步。
选频表的发展离不开与之共同进步的滤波技术的发展，多年以来，滤波技术的发展也极大促进了选频表向着更高水平的发展。随着滤波技术的高速发展，数字滤波技术已经趋于成熟，能够投入到选频表的研制之中了，诸多导致数字滤波技术不能大范围投入使用的因素已经逐步被解决。当然，滤波技术的发展使得滤波器的种类也逐渐曾多，功能也变得极为强大。有源滤波器和无缘滤波器两大滤波器的发展也是十分迅猛，给许多行业带来极大的便利。但是国内的许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离[7]。虽然说现有的滤波器已经能够满足现在的电力需求，但是其发展的脚步却从未停止下来过。大体上，国内有源滤波器的发展还未与无缘滤波器的发展得到同步，实际上两类滤波器尚未大量生产和应用[8]的问题也逐渐被淡化，国内滤波器的发展也是从未中断过，相信不久的将来将会得到长足的发展。目前数字滤波技术已经发展成熟已经能够投入到各行各业的设计中，当前有限冲激滤波器和无限冲激滤波器两大数字滤波器应用更为广泛。当然二者不同的功能便使得使用者有多种选择，这两类数字滤波器也都被投入到选频表的制作中。当然在使用数字滤波技术研制选频表的过程中依然要采用模拟滤波器的方法进行研究工作，数字选频表的设计是基于模拟滤波技术基础上进行的。但是在设计过程中二者的优缺点也逐渐的显露出来。有限冲激滤波器因为其对相位线性要求特别高，虽然其用来设计比较简单，但是众多研究人员在最初设计的
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 4
2 数字选频表的软件总体设计 4
2.1 数字选频表的设计思想 4
2.2 总体功能 5
3 数字滤波器的选择以及数字滤波算法的确定 5
3.1 数字滤波器 5
3.2 数字滤波算法 6
4 IIR数字滤波器仿真 8
4.1 IIR 数字滤波器设计工具 9
4.2 滤波信号仿真 11
5 软件设计 18
5.1 总体流程图 19
5.2 信号采集子程序模块 20
5.3 键盘设定子程序模块 21
5.4 数字滤波子程序模块 22
5.5 量程自动选择子程序模块 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 28
1 绪论
电力系统现如今已经无处不在，只要是有工艺生产的地方便会有电力系统的运行，电力早已经称为这个时代不可或缺的能源之一。在科技进步的时代，其作用无疑是将一项
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
滤波子程序模块 22
5.5 量程自动选择子程序模块 23
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 28
1 绪论
电力系统现如今已经无处不在，只要是有工艺生产的地方便会有电力系统的运行，电力早已经称为这个时代不可或缺的能源之一。在科技进步的时代，其作用无疑是将一项又一项大型工程推向新的高峰。随之产生的电力质量等诸多问题也随之诞生，工作仪器的正常用电决定着整个工业体系平稳运行。因此众多对电力系统检测装置也应运而生，确保各种用电系统能够正常平稳运行，从而打造一个更为安全的电力系统。
1.1 课题研究背景和意义
现如今是一个科技的时代，随着科学技术的飞速发展，电力、电气在科学领域中得到了长足的发展。尤其是在最近十年，有关电力的各行业都在飞速发展，比如工艺制造业，材料的加工，电力输送装置行业以及电力测量行业等等。另外现在的电力系统的规模与曾经相比也是大不相同，规模逐渐扩大、结构越来越复杂，输电线路电压也不断升级，等级也日益渐高，用户设备也得到改进，精度越来越高。随之诞生的带电力、电子仪器的种类也越来越多，设备的性能也越来越得到优化，其运行质量也越来越受到业内人士的普遍关注。可以说现在的时代是电气、电子的时代。然而，电气、电子行业的发展过程成中必然也伴随着诸多问题。电力运行系统中，随之诞生的工频干扰[1] 就是问题之一，工频干扰几乎遍布在正常的供电环境中，在各种工业现场中，工频干扰的问题更为严重。工频干扰是测量系统中一种干扰正常工作的干扰信号，在检测有用的信号时，干扰信号会对有用信号的检测起到干扰作用。为了达到高质量的检测效果要在检测有用信号的时候，考虑到干扰信号的影响，并且要最好要能够滤除工频干扰。
电气行业在飞速发展，电力系统中有着许多的地方要进行检测。在诸多工业现场中，为了保证电气设备，输电线路安全正常的运行，都要对仪器设备、输电线路等进行多种检测。工频干扰在电力运行系统中产生的危害也逐渐受到人们的关注，因此对于检测设备的精度以及要求也相对提高了许多，从而达到设备运行的同时把其他可能出现的问题以及危险降到最低点。在这种情形下，基于数字滤波技术的工频选频表便发挥了其在检测中的优势，利用其数字滤波的特点，在工作时候它能够针对特定频率的信号进行检测，从而滤除其它频段的频率，提高被测信号的质量。同时，它也兼备着量程自动选择的功能，可以适用于不同电压、电流领域中的测量工作。当然，数字选频表容许的测量误差也相当小，这样才能够保证测量的有效性，从而达到令人感到放心的测量，这样在工作的时候才能够确保对电力仪器设备实施有效的检测。
电力运行系统中，工频干扰的问题已经引起了更多的人的关注，现在已经成了额不容忽视的问题。选频表利用其优势能够有效的解决电力测量中工频干扰的问题，而且其测量质量的也能够得到保证，其测量的精度准确、操作简便、设计简易、应用场合广等优点在未来的电子市场必然会有广阔的发展前景。
1.2 研究现状和发展趋势
为了能够有效的解决电力系统中检测时工频干扰带来的诸多影响，选频表的诞生无疑为此工作带来了巨大的改变。同时实现选频表的设计领域也出现了各种高新技术。现如今智能化选频表已经得到了应用，传统的选频表大多采用采用多级变频滤波处理，但是其结构相当复杂，并且需要人工手动调节,其窄带滤波器的通带宽度约为20Hz。而采用离散 Fourier变换[2]，在采用适当函数的条件下极易得到几赫兹的窄带滤波效果。这就大大的提高了装置的测量精度。当然尽管数字滤波技术也可以直接使用，但考虑到待测信号变频后可能会发生偏差，变频后的中频信号频率与数字带通滤波器的中心频率可能会与预想不相吻合，在考虑到以前的数字滤波技术的发展并不是很高。因而，在当时要想利用数字滤波技术进行选频表的设计除非使用锁相技术将带通滤波器的通频带压得很低，不然光是这一个问题就很难解决。由于上述的问题存在，便有了使用DFT分析这一方法，这种分析方法并不需要精确的指定某一频率，而且只是需要频率的大致的范围，就能够测量出该信号的电平，在测出信号电平的同时也能够测量出该信号的具体频率。只要将工作的方式设置成扫频方式，就可以很方便的得到各种频率分量在信号中的分布。给定标准的直流电平即可以对整机实现定标[3]。
近年来，部分厂家已经研制出更为先进的选频表，为了提高选频表测量的稳定性以及其测量精度，数字直接合成技术已经被最大化利用。采用这项国际先进的技术便能够使选频表的频率稳定性得到大大的改善，并且能够极大的提高其测量的精度。选频表已经向着小型化、通用化的方向发展，比如江苏宏图高科采用数字直接合成技术研制生产的 GK5010 型数字选频表便大大提高了选频表的性能指标[4]。目前在国内，选频表的研究已经受到众多研究人员的关注，其中有大部分的研究人员致力于选频表的改进工作中。采用单片机技术的改进中，有部分人选择采用转轮表的功能从而改变频率的方法，但由于传统的仪器采取的是模拟器件产生频率[5]，利用此方法存在这诸多不便，利用转轮这种设计方法在测量的时候显示数据和读取数据存在着很多问题，这种方法必须还要配合着数字显示模块以达到测量数据的读取，这便大大提高了工作效率。目前采用数字显示模块来设计选频表的方法也逐渐被采用，但是新的问题是，每次进行测量的时候都
要调整好准确想要步长，这又是一大延缓工作效率的问题。为了能够使选频表能够高效的工作，不仅能够方便读取数据还要更能够自动切换量程，这将是一个新的研究高度。经过不断的研究与探索，不久之前的数字化的选频电平表已经实现了自动变步长功能了[6]。这项研究成果无疑又把选频表的发展又向前推了一大步。
选频表的发展离不开与之共同进步的滤波技术的发展，多年以来，滤波技术的发展也极大促进了选频表向着更高水平的发展。随着滤波技术的高速发展，数字滤波技术已经趋于成熟，能够投入到选频表的研制之中了，诸多导致数字滤波技术不能大范围投入使用的因素已经逐步被解决。当然，滤波技术的发展使得滤波器的种类也逐渐曾多，功能也变得极为强大。有源滤波器和无缘滤波器两大滤波器的发展也是十分迅猛，给许多行业带来极大的便利。但是国内的许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离[7]。虽然说现有的滤波器已经能够满足现在的电力需求，但是其发展的脚步却从未停止下来过。大体上，国内有源滤波器的发展还未与无缘滤波器的发展得到同步，实际上两类滤波器尚未大量生产和应用[8]的问题也逐渐被淡化，国内滤波器的发展也是从未中断过，相信不久的将来将会得到长足的发展。目前数字滤波技术已经发展成熟已经能够投入到各行各业的设计中，当前有限冲激滤波器和无限冲激滤波器两大数字滤波器应用更为广泛。当然二者不同的功能便使得使用者有多种选择，这两类数字滤波器也都被投入到选频表的制作中。当然在使用数字滤波技术研制选频表的过程中依然要采用模拟滤波器的方法进行研究工作，数字选频表的设计是基于模拟滤波技术基础上进行的。但是在设计过程中二者的优缺点也逐渐的显露出来。有限冲激滤波器因为其对相位线性要求特别高，虽然其用来设计比较简单，但是众多研究人员在最初设计的
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