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计算机控制实验(共6次)

上传者:戎璐
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上传时间:2015-04-28
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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

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(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。

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