计算机控制实验(共6次)

实验一 A/D与D/A 转换

一．实验目的

1．通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。

2．通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二．实验内容

1．利用实验系统完成测试信号的产生

2．测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。 3．设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。

三．实验步骤

1．了解并熟悉实验设备，掌握以C8051F060为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法；

2．利用实验设备产生0～5V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4位时的模数转换量化特性；

3．利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较；

4．编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法； 5．对实验结果进行分析，并完成实验报告。

四．附录

1．C8051F060概述

C8051F060是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了：

（1）与8051兼容的内核：额定工作频率25MHz，流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。5个通用16位定时器∕计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源（2个优先级）。

（2）模拟I/O：C8051F060的ADC子系统包括两个1Msps、16 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC 中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA 接口；两个12位电压输出DAC转换器，用于产生无抖动的波形。内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。

（3）存贮器：64KB片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）,4KB片内数据存贮器（SRAM）。

（4）片内其它外围：2个UART串行I/O,SPI串行I/O，专用的看门狗定时器，电源监视器，温度传感器，内部可编程振荡器3~24.5MHz或外接震荡器。 （5）供电电压：2.7V – 3.6V，多中节电和停机方式。

2．实验设备中的模拟量输入通道

（1）主要功能：允许－10V～＋10V信号输入，而至C8051F060引脚ADC的信号则被限制在要求的0V～＋3V（芯片基准电压为＋3.0V）。

（2）模拟量输入通道基本电路：见图1.1

由一个偏移电路环节（＋3V）与放大器电路环节组成。

图1.1

（3）模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口I1～I8。

数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。系统通过A/D变换器对模拟信号进行A/D转换，转换后的值通过USB2.0口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量。本系统中16位A/D，D/A为12位，可以通过LabVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。

有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。

5．两路互为倒相的周期斜坡信号的产生

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6．软件编程实现测试信号发生

在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。

（1）正弦信号

y Asin( t )，T

（2）方波

A 0 t T1y

T1 t T 0

（3）锯齿波

2

at 0 t T1y

0 T1 t T

（4）抛物线

1

at 0 t T1y 2 0 T1 t T

2

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实验二 数字滤波

一．实验目的

1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。 2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。

二．实验内容

1．产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。 2．设计并调试数字化一阶惯性滤波器。 3．设计并调试高阶数字滤波器。

三．实验步骤

1．利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；

2．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；

3．根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；

4．改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，5

12.12

GF(s)

X(s) s 1

利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：

其中T为采样周期， 为滤波时间常数。T和 必须根据信号频谱来选择。 3．高阶数字滤波器

高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：

y(k)

T

T

x(k) (1 )y(k 1)

y(k) A1x(k) A2x(k 1) A3x(k 2) A4x(k 3)

其中权系数Ai满足：

A 1，类似地，Ai必须根据信号频谱来选择。

ii 1

4

4．实验系统程序编制与调试

参考计算机控制上位机程序软件使用说明书。