计算机控制技术

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10μs3) 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 AD 原始码(二进制) AD 原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度 01 1111 1111 1111 1FFF 16383 正满度－1LSB 01 1111 1111 1110 1FFE 16382 中间值（零点） 00 0000 0000 00000000 8192 负满度+1LSB 10 0000 0000 0001 2001 1 负满度10 0000 0000 00002000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 D/A 数据编码 正满度 1111 1111 1111 正满度－1LSB 1111 1111 1110 中间值（零点） 1000 0000 0000 负满度+1LSB 0000 0000 0001 负满度0000 0000 00003．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)s i n(ϕω+=t A y ，ωπ2=T2) 方波⎩⎨⎧<≤<≤=Tt T T t Ay 1103) 斜坡信号⎩⎨⎧<≤<≤=Tt T T t at y 1100 ，a 为常量4) 抛物线信号⎪⎩⎪⎨⎧<≤<≤=Tt T T t at y 1120021，a 为常量 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sub Initialize(arg) ‘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 subsub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数a=1op=0.5*a*tx*tx ‘0.1为时间步长tx=tx+0.1if op>3 then ‘波形限幅tx=0end ifWriteData op ,1 ‘数据从采集卡的DA1端口输出end subsub Finalize (arg)‘退出函数WriteData 0 ,1end 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： ∑∑==-+-=Ni i Ni i i n y b i n x a n y 0)()()(2．一阶数字滤波器及其数字化 一阶数字滤波器的传递函数为 11)()()(+==s s X s Y s G F τ 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：)1()1()()(--+=k y T k x T k y SS ττ其中T S 为采样周期，τ为滤波器的时间常数。

T S 和τ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： )3()2()1()()(4321-+-+-+=K x A K x A K x A K x A K y其中权系数i A 满足：∑==411i i A 。

同样，i A 也根据信号的频谱来选择。

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\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10ms；2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图2-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。

调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。

观察数据滤波器的滤波效果；2.4点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts(注：修改Ts时要同步修改算法的运行步长)、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤波效果的影响；2.5对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验步骤2.2、2.3和2.4。

不同的是打开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶）”，实验时程序可修改的参数为a1、a2、a3和采样时间Ts。

2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

六、实验报告要求1．画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。

2．编写一阶数字滤波器的脚本程序。

3．绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。

七、附录1．尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图2-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。

2．实验电路的信号的产生把图2-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图2-2所示的两个输入端。

图2-2 测试信号的产生电路图3．一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti ‘变量定义sub Initialize(arg)‘初始化函数WriteData 0 ,1opx=0end subsub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数pv = ReadData(1) ‘采集卡通道1的测量值op1=2*sin(x) ‘正弦信号的产生x=x+0.1Ti=0.02Ts=0.01 ‘采样时间10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx ‘一阶数字滤波器的输出opx=op2if op2>=4.9 thenop2=4.9end ifif op2<=-4.9 thenop2=-4.9end ifWriteData op1 ,1 ‘正弦信号从DA1端口输出WriteData op2 ,2 ‘滤波后的信号从DA2端口输出end subsub Finalize (arg) ‘退出函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub高阶数字滤波器的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法”目录内参考示例程序。