电工电子课程设计心得
电子课程设计心得
这个星期我们的任务是电子电工课程设计，主要任务是设计一个八路抢答器。无疑，这对我们来说是有很大难度的。我们是第一次课程设计，尽管这种课程设计可能是比较简单的一种，我们还是遇到了很大的困难。但是我们并没有轻易放弃在设计之前，参考了许多相关的资料。在设计中又参考了课本上给出的四路抢答器的原理图，开始时我还不太明白电路是如何连接的，并且对其原理也不甚了解，但通过对所学知识更深入的学习和师兄的讲解和帮助，最终使我克服了难关，理解了许多东西。一路走来，我收获了知识，收获了希望和努力后的成果。
电子课程设计实践周，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。
这次实践使我对数字电路有了进一步的了解，在设计抢答器、报警器、定时器的过程中，通过翻阅资料，上网搜索，当然也包括问师兄、同学等，我对各电路器件（如：RS触发器，555定时器和许多常用的二极管等）及原理有了更深层次的认识，既增强了我的理解能力，也使我能更好的运用所学的知识。例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。在音响电路中，根据设计需要选择了555定时器。
通过这次八路抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，我更加深深地体会到了自学的重要性。比如我们在画电路图时，要用到那些专门的画电路的软件，而我们确是没有学过的，我就只好用CAD来绘制电路图，画的比较生硬，而且要用到文档中去也比较麻烦，但是没有办法，我没有足够的时间马上去学习绘制电路图的软件。
其实，大学中很多东西都是要靠自己去学的，当然，我们不能盲目的去学一些对自己专业没有很大帮助的东西。相反，我们应该抽时间好好的学习那些对我来说很有用的软件。像我自己，我学的这个专业，绘图软件是相当重要的。所以，我现在就在自学Pro/E，经过这次课程设计，我想我还应该要学习一下那两个常用的绘制电路图的软件Protel和Protues。自学是我们学习，学习好一门课、一门专业重要的一种能力。一个拥有很强自学能力的人，他在某种程度上可以比那些自学能力相对弱的人更容易成功。因为一个自学能力强的人，可以很快地掌握一项从来没有接触过的技术，适应环境的能力强，自然，这种人是很受欢迎的，因此他们比较容易成功。
总之，这次实验过程中我受益匪浅，培养了我的设计思维，增加了动手操作的能力。最重要的是我明白了自学的重要性，掌握了更为正确的自学方法，这将使我今后离开学校，踏上社会是相当有帮助的。我深深地意识到了我必须提高我的自学能力。此外，我还体会到，我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远，我们所不懂的知识还有很多，因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用。在解决问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高与肯定。此次设计不仅增强了自己在专业设计方面的信心，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。这是一次难得的实践！
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电子系统课程设计报告
FIR数字滤波器设计
专业：07级电子信息工程班级：电信一班学号：XXXXXXX姓名：XXX指导老师：XXXXXXXXX同组成员：XXX
时间：201*年7月1日
一、设计目的
1、熟悉FIR滤波器设计的基本方法。
2、掌握用窗函数设计FIR滤波器的基本原理和方法，熟悉MATLAB语言。3、熟悉线性相位FIR滤波器的幅频特性和相位特性。4、了解各种不同窗函数对滤波器性能的影响。5、熟悉MCS51系列单片机基本原理。
6、掌握MCS51系列单片机基本指令和编程。7、利用MATLAB仿真的数据，用单片机实现FIR滤波器的设计。
二、原理和方法
（一）FIR滤波器的设计
滤波器是设计来进行频率选择或频率分辨任务的线性时不变系统的通用名称。离散时间LTI(线性时不变)系统称为数字滤波器。按照LTI系统的单位脉冲响应长度是否有限可以分为有限长度脉冲响应(FIR)滤波器和无限长度脉冲响应(IIR)滤波器。
FIR滤波器可以利用快速傅立叶变换进行快速卷积来实现，另外，FIR滤波器具有严格的相位特性，这对于语音信号处理和数据传输是很重要的。目前FIR滤波器的设计方法主要有三种：窗函数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。最常用的是窗函数法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计法。本设计中用的窗函数法比较简单，可以应用现成的窗函数公式，在技术要求不高的时候是比较方便灵活的。它从时域出发，用一个窗函数截取理想的hd(n)得到h(n)，以有限长序列h(n)近似理想的hd(n)；如果从频域出发，用理想的Hd(e)在单位圆上等角度取样得到h(k)，根据h(k)得到h(z)将逼近理想的hd(z)，这就是频率取样法。
jw（二）窗函数法原理
众所周知，数字滤波器的设计是基于一定的性能指标。窗函数法设计滤波器也不例外，首先要对滤波器提出性能指标。一般是给定一个理想的频率响应Hd(ejw)，使所设计的FIR滤波器的频率响应H(ejw)去逼近所要求的理想的滤波器的响应Hd(ejw)。窗函数法设计的任务在于寻找一个可实现（有限长单位脉冲响应）的传递函数：
N1H(ej)h(n)en0jn（4）
去逼近Hd(ejw)。一般情况下，一个理想的频率响应Hd(ejw)的傅立叶反变换：
hd(n)1220Hd(ej)ejnd（5）
所得到的理想单位脉冲响应hd(n)是一个无限长序列。对hd(n)经过适当的加权、截断处理才能得到一个所需要的有限长脉冲响应序列。对应不同的加权、截断，就有不同的窗函数。而所要寻找的滤波器脉冲响应就等于理想脉冲响应和窗函数的乘积，即：
h(n)hd(n)(n)（6）
由此可见，窗函数的性质就决定了滤波器的品质。由于窗函数有一个等于M的有限长度，所以它的响应有一个主瓣，其宽度与1/M成正比，还有高度比较小的旁瓣。主瓣在Hd(ejw)中产生一个过渡带，主瓣的宽度决定过渡带的宽度，即与1/M成正比，主瓣越宽，则过渡带越宽，旁瓣产生波动。
以下是几种常用的窗函数：
1、矩形窗
(n)RM(n)2、汉宁(Hanning)窗
1，0nM10，其它（7）
(n)0.51cos2n,1nM（8）
M13、哈明(Hamming)窗
(n)0.540.46cos2nRM(n)（9）M14、布莱克曼(Blackman)窗
(n)0.420.5cos2n4n0.08cosRM(n)（10）
M1M15、凯泽(Kaiser)窗
2I012n/M11(n),0nM1（11）
I0其中I0[.]是修正过的零阶贝塞尔(Bessel)函数，β为依赖于M的参数，选择M可以产生各种过渡带宽和接近最优的阻带衰减。对于相同的M，凯泽窗可以提供不同的过渡带宽，这是其它窗所做不到的。
窗函数法设计线性相位FIR滤波器可以按如下步骤进行：
（1）确定数字滤波器的性能要求。确定各临界频率{ωk}和滤波器单位脉冲长度M。（2）根据性能要求和M值，合理地选择单位脉冲响应h(n)的奇偶对称性，从而确定理想频率响应Hd(ejw)的幅频特性和相位特性。
（3）用傅立叶反变换公式（5）求得理想单位脉冲响应hd(n)。（4）选择适当的窗函数w(n)，根据式（6），求得所设计的FIR滤波器单位脉冲响应。（5）用傅立叶变换求得其频率响应H(ejw)，分析它的幅频特性，若不满足要求，可适当改变窗函数形式或长度M，重复上述过程，直到得到满意的结果。
三、MATLAB实现的内容及步骤
（一）编制实验用主程序及相应子程序
1、在实验编程之前，认真复习有关FIR滤波器设计的有关知识，尤其是窗函数法的有关内容，阅读本实验原理与方法，熟悉窗函数及四种线形相位FIR滤波器的特性，掌握窗函数设计滤波器的具体步骤。
2、编制窗函数设计FIR滤波器的主程序及相应子程序。
（1）根据Hd(ejw)，利用傅立叶变换，编制产生理想单位脉冲响应hd(n)的简单子程序。（2）根据公式（7）到公式（10）编制相应的窗函数序列的子程序。
1>矩形窗程序：functionw=jvxing(x);M=x;
forn=1:M;w(n)=1;end
2>汉宁窗程序：functionw=hn(x)M=x
forn=1:M
w(n)=0.5*[1-cos(2*pi*n/(M+1))]end
3>汉明窗程序：functionw=hm(x);M=xforn=1:M
w(n)=0.54-0.46*cos(2*pi*(n-1)/(M-1))end
4>布莱克曼床程序：functionw=blkm(x);M=x
forn=1:M
w(n)=0.42-0.5*cos(2*pi*(n-1)/(M-1))+0.08*cos((4*pi*(n-1)/(M-1)))end
5>凯泽窗程序：functionw=kz(x);M=x;
beta=4（6，8）;forn=1:M;
w(n)=besseli(0,(beta*sqrt(1-((2*n/(M-1))-1)^2)))/besseli(0,beta);end
窗函数图形：
（3）在上述子程序的基础上设计主程序完成线性相位FIR滤波器的窗函数法设计。
（二）上机实验内容
1、用Hanning窗设计一个线形相位带通滤波器，其长度M=30，技术指标要求如下：
低端阻带边缘：ω1s=0.2π;低端通带边缘：ω1p=0.35π高端通带边缘：ω1p=0.65π;高端阻带边缘：ω1s=0.8π绘制幅频和相位特性曲线、理想脉冲响应和实际脉冲响应离散数据图。如果M=45，重复这一设计，观察幅频和相位特性的变化，注意长度M变化对结果的影响。
主程序：
Wp1=0.35*pi;Wp2=0.65*pi;Ws1=0.2*pi;Ws2=0.8*pi;M=30;N=M-1;M1=45;
N1=M1-1;
w=hn(M);%汉宁窗w1=hn(M1);Wc1=(Wp1+Ws1)/2;Wc2=(Wp2+Ws2)/2;k=0:N;k1=0:N1;
hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*N)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*N)/pi);
hd1=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k1-0.5*N1)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k1-0.5*N1)/pi);h=hd.*w;h1=hd1.*w1;omega=linspace(0,pi,512);
mag=freqz(h,1,omega);magdb=20*log(abs(mag));
mag1=freqz(h1,1,omega);magdb1=20*log(abs(mag1));subplot(321)
plot(omega/pi,magdb,"-b",omega/pi,magdb1,"-r");title("幅频特性（加汉宁窗）")xlabel("normalizekfrequency(rad/s)*π");ylabel("Gain,dB");
legend("M=30","M=45");grid;
phase=unwrap(angle(mag));phase1=unwrap(angle(mag1));
subplot(322);
plot(omega,phase,"-b",omega,phase1,"-r");title("相位特性");
xlabel("Normalizedfrequencyrad/s");ylabel("phaserad");legend("M=30","M=45");grid;subplot(323)
stem(k,h);
title("实际脉冲响应离散数据图M=30");grid;
subplot(324)
stem(k,hd);
title("理想脉冲响应离散数据图M=30");grid;subplot(325)
stem(k1,h1);
title("实际脉冲响应离散数据图M=45");grid;
subplot(326)
stem(k1,hd1);
title("理想脉冲响应离散数据图M=45");grid;
图形：
分析：随着长度M的增加滤波器的过渡带减小，阻带特性变好，理想脉冲和实际脉冲幅度增大。
72、改用矩形窗和Blackman窗，设计步骤（1）中的带通滤波器，观察并记录窗函数对滤波器幅频和相位特性的影响，比较这三种窗函数的特点。程序：
Wp1=0.35*pi;Wp2=0.65*pi;Ws1=0.2*pi;Ws2=0.8*pi;N=45;M=N-1;
w1=jvxing(N);w2=hn(N);w3=blkm(N);
Wc1=(Wp1+Ws1)/2;Wc2=(Wp2+Ws2)/2;k=0:M;
hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*M)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*M)/pi);h1=hd.*w1;h2=hd.*w2;h3=hd.*w3;
omega=linspace(0,pi,512);
mag1=freqz(h1,1,omega);magdb1=20*log(abs(mag1));mag2=freqz(h2,1,omega);magdb2=20*log(abs(mag2));mag3=freqz(h3,1,omega);magdb3=20*log(abs(mag3));subplot(211)
plot(omega/pi,magdb1,"b-",omega/pi,magdb2,"r-",omega/pi,magdb3,"g-");legend("矩形窗","汉纳窗","布莱克曼窗")title("幅频特性")
xlabel("normalizekfrequency");ylabel("Gain,dB");grid;
phase1=unwrap(angle(mag1));phase2=unwrap(angle(mag2));phase3=unwrap(angle(mag3));subplot(212)
plot(omega,phase1,"b-",omega,phase2,"r-",omega,phase3,"g-");legend("矩形窗","汉纳窗","布莱克曼窗")title("相位特性");ylabel("phase");grid;
图形：
分析：在长度相同（M=45）情况下，加矩形窗的滤波器过渡
带要小于加布莱克曼窗，而加布莱克曼窗的阻带特性比加矩形窗好（衰减大），加汉纳窗则介于二者之间。
相位特性：加矩形窗、汉纳窗、布莱克曼窗滤波器在通带相位特性良好（基本是直线）。
3、用Kaiser窗设计一个专用的线性相位滤波器。M=40，理想幅频特性如下：
1,0.20.4j|Hd(e)|1,0.60.8
0,其它当β值分别为4,6,8时，设计相应的滤波器，比较它们的幅频和相位特性，观察并分析β值不同的时候对结果有什么影响。主程序：
M=40;
Wc1=0.2*pi;Wc2=0.4*pi;Wc3=0.6*pi;Wc4=0.8*pi;
w=kz(M);%凯泽窗w1=kz1(M);w2=kz2(M);k=1:M;
hd=(Wc2/pi)*sinc(Wc2*(k-0.5*M)/pi)-(Wc1/pi)*sinc(Wc1*(k-0.5*M)/pi)+(Wc4/pi)*sinc(Wc4*(k-0.5*M)/pi)-(Wc3/pi)*sinc(Wc3*(k-0.5*M)/pi);h=hd.*w;h1=hd.*w1;h2=hd.*w2;
omega=linspace(0,pi,512);
mag=freqz(h,1,omega);%求h的频率响应mag1=freqz(h1,1,omega);mag2=freqz(h2,1,omega);magdb=20*log10(abs(mag));magdb1=20*log10(abs(mag1));magdb2=20*log10(abs(mag2));subplot(121)
plot(omega/pi,magdb,"-b",omega/pi,magdb1,"-r",omega/pi,magdb2,"-g");title("频率特性")
xlabel("Normalizedfrequency(rad/s)*π");ylabel("GaindB");
legend("β=4","β=6","β=8");
grid;
phase=unwrap(angle(mag));%求mag的相位phase1=unwrap(angle(mag1));phase2=unwrap(angle(mag2));subplot(122);
plot(omega,phase,"-b",omega,phase1,"-r",omega,phase2,"-g");title("相位特性");
xlabel("Normalizedfrequencyrad/s");ylabel("phaserad");legend("β=4","β=6","β=8");grid;
图形：
分析：随着β的增大，滤波器两边的阻带衰减增大（阻带特性变好），过渡带增大，导致中间阻带特性变差。通带传递函数的相位良则不受β变化的影响。
四、DVCC系列仿真系统实现滤波器
程序流程图：
开始
定义X（K）和H（K）的值，有效位分别为X（0）X（7），H（0）H（7）将X（K）的值存储到30H到3FH，设置R2为0Y（N）的N值到通用寄存器R4。并设置R5的值为R4+1设置寄存器R6的初值为0设置H（K）的K值通用寄存器R2。并设置初值0取H（K）值，并将其暂存到通用寄存器R7计算值N-K，取X（N-K）的值算H（K）*X（N-K），将结果与R6相加，并将新的结果存放R6NR5-1，R5=0？K=K+1Y将R6的值存放到从40H开始的单元，具体为40+NNN=N+1，N=8？Y设置通用寄存器R6的初值为0，在后面用其存储Y（N）的取出Y（N）的值，并计算出其个位，十位，百位分别放在存储单元将N值的十位和各位算出分别存储到68H，69H分别将7DH,7EH,7FH,68H,69H的内容显示到数码管上R6=R6+1NR6的值为7？
12Y主程序：ORG0200HLJMPSTART
TABLEHX:DB05h,04h,03h,02h,01h,00h,00h,00hTABLEX:DB01h,03h,01h,02h,00h,00h,00h,00h
TABLE:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HORG0500H
START:MOVR0,#30HMOVR2,#0HMOVR3,#8H
s:MOVA,R2
MOVDPTR,#TABLEXMOVCA,@A+DPTRMOV@R0,AINCR0INCR2DJNZR3,s
MOVR1,#40H;存Y(N)MOVR3,#8H;乘的次数MOVR4,#0H;N
s1:MOVR6,#0H;Y(N)=x[k]h[n-k]MOVDPTR,#TABLEHX
MOVA,R4ADDA,#01HMOVR5,A
MOVR2,#0H;取H()即K
s2:MOVA,R2
MOVCA,@A+DPTR;从H取出MOVR7,A;暂存H(K)MOVA,R4;赋N-->ACLRC
SUBBA,R2;N-KADDA,#30HMOVR0,A
MOVA,@R0;取X(N-K)MOVB,R7;暂存H[K]MULAB
ADDA,R6;加上[K]*X[N-K]MOVR6,A;暂存H[K]*X[N-K]
INCR2;K
DJNZR5,s2;R5:要加的乘积项数MOVA,R6
MOV@R1,A;存Y[N]INCR1;Y[N+1]
INCR4;N
DJNZR3,s1;R3乘的次数;;;;;;;;;;;;;;
dx1:MOVR6,#0H;N循环置初dx:MOVA,#40HADDA,R6MOVR0,A
MOVA,@R0;取Y[]MOVB,#10DIVAB
MOV7DH,B;个位，可在范围内任取MOVB,#10DIVAB
MOV7EH,B;十MOV7FH,A;百
MOVR0,#21H;数码管选通端口地址MOVR1,#22H;数据输出端口地址MOVDPTR,#TABLE;段位码
LED:MOVA,7DH
MOVCA,@A+DPTRMOVX@R1,A
MOVA,#01H;选数码管左6MOVX@R0,A;显示个位ACALLDELAYMOVA,7EH
MOVCA,@A+DPTRMOVX@R1,A
MOVA,#02H;选数码管左5MOVX@R0,A;显示十位ACALLDELAYMOVA,7FH
MOVCA,@A+DPTRMOVX@R1,A
MOVA,#04H;选数码管左4
MOVX@R0,A;显示百位ACALLDELAY;;;;;;;;;;;;;
MOV6AH,R6;第位MOVA,6AH
MOVB,#0AH;B中放10DIVABMOV68H,BMOV69H,AMOVR7,#0FFH
MOVA,68H
MOVCA,@A+DPTRMOVX@R1,A
MOVA,#10H;MOVX@R0,A;ACALLDELAYMOVA,69H
MOVCA,@A+DPTRMOVX@R1,A
MOVA,#20H;MOVX@R0,A;ACALLDELAY
;;;;;;;;;;;;;;;;
ACALLKEY1
CJNER6,#8H,dx;R6LJMPdx1;
KEY1:ACALLKS1JNZLK1RET
LK1:ACALLDELAY3INCR6RET
KS1:MOVDPTR,#0FF21HMOVA,#00H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#0FF23HMOVXA,@DPTR
选数码管左2显示个数选数码管左1显示十位乘的次数
对R6清零,使7变为0CPLA
ANLA,#0FH;查看是否有按键RETDELAY:
MOVR5,#02HD1:MOVR4,#0FFHDJNZR4,$DJNZR5,D1RET
DELAY3:MOVR7,#07FHDD1:ACALLDELAYDJNZR7,DD1RETEND
运行结果：00005，01019，02020，03025，04018，05011，06005，07002
五、思考题
1、如果没有给定h(n)的长度M，而是给定了带通边缘截止频率ωc和阻带临界频率ωs，以及相应的衰减，你能根据这些条件用窗函数法设计线性相位FIR低通滤波器吗？
答：在给定带通边缘截止频率ωc和阻带临界频率ωs情况下，可以通过查下表，依据不同的窗函数，近似求得长度M，再由相应的衰减就可得出FIR低通滤波器。
表（1）常用窗函数特性窗函数名称矩形汉宁哈明布莱克曼
近似过渡带宽4π/M8π/M8π/M12π/M精确过渡带宽1.8π/M6.2π/M6.6π/M11π/M最小阻带衰减21dB44dB53dB74dB2、如果在运用（5）式产生单位脉冲响应h(n)时Hd(ejw)比较复杂，怎样才能产生实际脉冲响应h(n)？答：可以用频率取样法。
对Hd(ejΩ)进行频率抽样得到Hd[m]的值，再对Hd[m]做M+1点IDFT,就可以得到实际脉冲响应h(n)
3、频率取样法和窗函数法各有什么特点？（简单说明）
答：频率采样法对目标系统在某些频率点ωk进行取样，要求所设计的FIR滤波器的频率响应在这些指定的频率点ωk上的频率特性与目标系统在这些点上的特性完全相同，以此为依据设计出合适的FIR滤波器。
窗函数法依据给出的Hd(ejw)函数，通过窗函数的截断，从而得到H(ejw)函数，根据这个函数，可以通过傅里叶反变换直接计算系统的单位响应h(n)并由此构建数值滤波器。窗函数设计法的基本思想，是找出一个频率特性为Hd(ejw)的、与H(ejw)尽可能接近的FIR函数。窗函数的性质就决定了滤波器的品质。由于窗函数有一个等于M的有限长度，所以它的响应有一个主瓣，其宽度与1/M成正比，还有高度比较小的旁瓣。主瓣在Hd(ejw)中产生一个过渡带，主瓣的宽度决定过渡带的宽度，即与1/M成正比，主瓣越宽，则过渡带越宽，旁瓣产生波动
4、频率特性图中的横轴单位是什么？
答：横轴单位是（rad/s）*π
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