实时数字滤波器用来实时地过滤被测量的信号。用户可以自定义;滤波器特性以满足特殊的应用的需求。实时数字滤波器应用于数据调节阶段。滤波器是通过图形化的设计工具来进行设置的,然后上传到设备以供实时计算。在这个图形化设计工具中,滤波器纵轴以dB为单位,横轴为相应频率。

例如,用户可能需要查看一个特定频率带宽内的能量分布,而不是整个频谱。这可以通过创建带通滤波器然后将RMS算子应用于滤波器的输出来完成。

下图显示了用于在EDM软件中定义实时过滤器的流程图。左侧的图标CH1表示需要被测量的原始时域信号。它连接到一个IIR滤波器,IIR滤波器计算一个名为iirfilter(ch1)的信号,该信号再连接到RMS算子。 RMS算子的输出rms(iirfilter(ch1))的信号。

实时数字滤波 1

图1  实时数字滤波器应用实例

实时数字滤波器包括三种类型的数字滤波器:有限脉冲响应滤波器(FIR),无限脉冲响应滤波器(IIR),抽取滤波器。对于FIR和IIR滤波器,你可通过多种方式指定为:低通,高通,带通或者带阻滤波器。

本章首先解释了一些滤波器的设计理论,然后介绍EDM软件和Spider设备中的滤波器操作。

滤波器设计的目标是根据用户指定的标准计算一系列滤波器系数。这些标准通常由以下变量描述:

滤波器系数的数量:这也被称为过滤器的阶次。过滤器的阶次决定了需要用多少系数是来定义滤波器。滤波器阶次越低,包含的系数越少。但是它的响应却比高阶次的快,因此滤波器的输入和输出之间的时间滞后更少。

截止频率:对于低通或者高通滤波器,只需要一个截止频率。带通或者带阻滤波器则需要两个截止频率来定义滤波器。图2显示了典型的带通滤波器设置,其中两个截止频率设置为约0.1和0.4Hz。

阻带衰减:这个规范定义了多少输入信号在阻断的频率范围内会被截断。理论上来说,衰减越高,过滤得效果越好。在图2中,低于0.25Hz的最大带阻衰减大于40dB。

通带波纹:这是数字滤波器中一个不可避免的特性。它指的是过渡频率外的滤波形状的波动。如果需要一个非常平坦的滤波器,那就可以选择一个比较低的带通波纹。图2中,在带阻的区域可以看到波纹,但是在带通的区域看不到波纹。理想情况下,通带应该是非常平坦的,在阻带的地方可以有波纹。

过渡频带宽度:这指的是通带和阻带区域之间的过滤器波形。理想情况下,这个过渡频带应该是非常小的。但是,一个很窄的过渡频带需要一个更高阶的过滤器,它影响了过滤器的响应时间,也可能会影响波纹。在图2中,过滤频带是0.05至0.1和0.4至0.45。

实时数字滤波 2

图2 滤波器设计显示截止频率、波纹、阻带衰减

大多数情况下,滤波器设计包括最小化滤波器的阶数,波纹,过渡频带宽度,和响应时间之间作出权衡。 不是所有条件都可以同时满足。 过滤器设计可以是一个反复的过程,而经验是有帮助的。