计算机控制实验

第二章 计算机控制技术基础实验

实验一 A/D与D/A转换

一、实验目的

1．通过实验了解实验系统的结构与使用方法；

2．通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 二、实验设备

1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBDC-1”) 三、实验内容

1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之； 2．在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。 四、实验步骤

1．启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；

2．将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；

3．启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；

4．点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为00001100011101(共14位，其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验附录)进行比较；

5．根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其范围为0～4095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；

6．实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 五、附 录

1．数据采集卡

本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：

1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用

2) 400KHz 14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10μs 3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出 4) 8K深度的FIFO保证数据的完整性 5) 8路开关量输入，8路开关量输出 2．AD/DA转换原理

数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10～10V对应为0～16383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)： 输 入 正满度 正满度－1LSB 负满度+1LSB 负满度 AD原始码(二进制) 01 1111 1111 1111 01 1111 1111 1110 10 0000 0000 0001 10 0000 0000 0000 AD原始码(十六进制) 1FFF 1FFE 0000 2001 2000 求补后的码(十进制) 16383 16382 8192 1 0 中间值（零点） 00 0000 0000 0000 而DA转换时的数据转换关系为：-5～5V对应为0～4095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为： 输 入 正满度 正满度－1LSB 中间值（零点） 负满度+1LSB 负满度 3．编程实现测试信号的产生

利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：

1) 正弦信号

2?D/A数据编码 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 ?(t??)，T? y?Asin2) 方波

?Ay???0T1?t?T?

0?t?T1

3) 斜坡信号

?aty???00?t?T1T1?t?T ，a为常量

4) 抛物线信号

?12?aty??2?0?0?t?T1，a为常量 T1?t?T这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：

dim tx,op,a ‘初始化函数

WriteData 0 ,1 ‘对采集卡的输出端口DA1进行初始化

tx=0 ‘对变量初始化 end sub

sub Initialize(arg) ‘初始化函数

sub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数 a=1

op=0.5*a*tx*tx ‘0.1为时间步长 tx=tx+0.1

if op>3 then ‘波形限幅 tx=0 end if

WriteData op ,1 ‘数据从采集卡的DA1端口输出 end sub

sub Finalize (arg) ‘退出函数 WriteData 0 ,1 end sub

通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。

其它典型信号的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\\基本波形”目录内参考示例程序。

实验二 数字滤波器

一、实验目的

1．通过实验熟悉数字滤波器的实现方法； 2．研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。 二、实验设备

1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBDC-1”) 三、实验内容

1．设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路； 2．设计并调试一阶数字滤波器； 3．设计并调试高阶数字滤波器。 四、实验原理

1．在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。

一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示： y(n)??aix(n?i)??biy(n?i)

i?0i?0NN2．一阶数字滤波器及其数字化 一阶数字滤波器的传递函数为 GF(s)?Y(s)1? X(s)?s?1利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：

TSTS y(k)?x(k)?(1?)y(k?1)

??其中TS为采样周期，?为滤波器的时间常数。TS和?应根据信号的频谱来选择。 3．高阶数字滤波器

高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法： y(K)?A1x(K)?A2x(K?1)?A3x(K?2)?A4x(K?3)

其中权系数Ai满足：?Ai?1。同样，Ai也根据信号的频谱来选择。

i?14五、实验步骤

1．实验接线及准备

1.1 启动计算机，在桌面双击图标THBDC-1，运行实验软件；

1.2 启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道，并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；

1.3 按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连。

2．脚本程序运行 2.1点击软件工具栏上的“

”按钮(脚本编程器)，打开脚本编辑器窗口；

2.2在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\\