实验一采样与保持
信号采样与保持实验心得
信号采样与保持实验心得
信号采样与保持实验是电子信息类专业中非常重要的基础实验之一。
我的一些心得如下：
1. 实验前要充分理解采样定理的概念及其应用。
采样定理指出采样频率要高于信号最高频率的2倍才能完全保存信号,否则将导致采样失真。
2. 实验时要注意选择合适的采样频率、采样时间和采样周期。
要根据信号频率和波形等特点进行合理的参数选择,以保证正确的采样结果。
3. 在采集信号前,要进行预处理操作。
这通常包括滤波、放大等。
预处理的目的是为了使信号更容易被采样。
4. 在实验中要熟练掌握示波器、函数发生器等仪器的使用方法。
要注意仪器的精度和测量范围,以及必要的校准操作。
5. 在实验中要注意保证实验环境的稳定性,避免电磁干扰等因素的影响,以保证采样结果的准确性和可重复性。
总之,信号采样与保持实验是一项需认真对待的实验,需要在多次实验中不断积累经验,通过实践加深对理论知识的理解。
计算机控制技术实验报告
计算机控制技术实验报告实验一 信号的采样与保持一、实验目的1．熟悉信号的采样和保持过程。
2．学习和掌握香农(采样)定理。
3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。
二、实验设备PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块。
三、实验原理香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（max ωω<）的连续信号)(t f 进行采样，当采样频率满足max 2ωω≥s 时，则采样函数)(t f *能无失真地恢复到原来的连续信号)(t f 。
m ax ω为信号的最高频率，s ω为采样频率。
四．实验内容1．采样与保持编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。
实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
图2-1 采样保持线路图控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1#定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。
正弦波单元的“OUT ”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms ），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。
由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。
采样周期T= TK×10ms，TK 的范围为01~ FFH ，通过修改TK 就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。
零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。
图2-2 零阶采样保持程序流程图实验步骤：（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。
（2）按照实验线路图2-1接线，检查无误后开启设备电源。
（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT ”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT ”端输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。
2.3采样保持器
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捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。如果采样／
保持器在保持状态时的输出为-FSR，而在保持状态结束时输入已变至
+FSR，则以保持状态转至跟踪状态采样／保持器所需的捕捉时间最长，
产品手册上给出的tAC就是指这种状态的值。
使用采样／保持器后，系统能对频率不高于12．44kHz
正的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了
许多倍，大大改善了系统的采样速率。
由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信
号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失
任何信息的，该采样频率至少应两倍于最高信
号频率。这意味着带采样／保持器的数据采集
系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、
知的捕捉时间tAC=6μs，孔径时间tAP=50ns，
ADC0804的转换时间conv=100μs(时钟频率
为640kHz)，计算系统可采集的最高输入信
号频率。
• AD582
• 解：tAP与tAC和tCONV相比，可以忽略。
根据式(5—7)可知
fmax=1/2(tAC+tCONV)=1/2*(6*106+100*10-6)=4.72*103(Hz)
• •设保持电容原先的保持电压为+5V，当由保持
状态转为跟踪状态时，采样／保持器输入电压
为-5V。
• 经过一段时间跟踪，电容器电压变为-5V，然
后又转为保持状态。这时，电容器电压会逐渐
向+5V方向变动，使保持电压发生变动，从而
产生误差。
符合高精度要求的电容器
实验一采样与保持
常州大学信息数理学院计算机控制系统实验报告第一次实验实验名称采样与保持专业自动化142实验组别姓名徐亮学号14417228同实验者李国梁、王凯翔记录实验时间2017 年06 月11 日成绩审阅教师一、实验目的（1）了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换—采样过程。
（2）了解判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件。
（3）了解采样周期 T 对系统的稳定性的影响。
（4）掌握控制系统处于临界稳定状态时的采样周期 T 的计算。
（5）观察和分析采样/保持控制系统在不同采样周期 T 时的瞬态响应曲线。
二、实验原理及说明采样实验采样实验框图如图所示。
计算机通过模/数转换模块以一定的采样周期对B9 单元产生的正弦波信号采样，并通过上位机显示。
在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）。
图采样实验框图计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，调节信号发生器（B5）单元的调宽旋钮，并以此作为A/D 采样周期T。
改变T 的值，观察不同采样周期下输出波形与输入波形相比的复原程度（或失真度）。
对模拟信号采样首先要确定采样间隔。
采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于原信号。
采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，。
合理的采样间隔应该是即不会造成信号混淆又不过度增加计算机的工作量。
采样时，首先要保证能反映信号的全貌，对瞬态信号应包括整个瞬态过程；信号采样要有足够的长度，这不但是为了保证信号的完整，而且是为了保证有较好的频率分辨率。
在信号分析中，采样点数N 一般选为2m 的倍数，使用较多的有512、1024、2048、4096 等。
采样保持器实验线性连续系统的稳定性的分析是根据闭环系统特征方程的根在S 平面上的位置来进行的。
如果特征方程的根都在左半S 平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。
采样/保持控制系统的稳定性分析是建立在Z 变换的基础之上，因此必须在Z 平面上分析。
采样与保持仿真实验
微分与平滑仿真实验一．实验目的1．数/模转换器得零阶保持器作用零阶保持器：zero-order holder（ZOH）。
实现采样点之间插值的元件，基于时域外推原理，把采样信号转换成连续信号。
零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，依次类推，从而把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。
因为在每一个采样区间内连续的阶梯信号的值均为常值，亦即其一阶导数为零，故称为零阶保持器。
零阶保持器的传递函数为：2．零阶保持器在控制系统中的作用零阶保持器的作用是使采样信号e*(t) 每一采样瞬时的值e(kT) 一直保持到下一个采样瞬时e[(k+1)T]，从而使采样信号变成阶梯信号eh(t)。
二．实验原理如下图，控制系统中，给输入阶跃信号，有函数：plot(y.time,y.signals.values,x.time,x.signals.values)可以画出其输入输出波形图1-1如下所示。
图1-1仿真原理图三．仿真过程图1-2 采样周期T-10MS时系统的输入输出波形图1-3 采样周期T-20MS时系统的输入输出波形图1-4 采样周期T-30MS时系统的输入输出波形图1-5 采样周期T-40MS时系统的输入输出波形四．思考与总结1.在微机控制系统中采样周期T的选择因注意哪些方面？采样定理只是作为控制系统确定采样周期的理论指导原则，若将采样定理直接用于计算机控制系统中还存在一些问题。
主要因为模拟系统f（t）的最高角频率不好确定，所以采样定理在计算机控制系统中的应用还不能从理论上得出确定各种类型系统采样周期的统一公式。
目前应用都是根据设计者的实践与经验公式，由系统实际运行实验最后确定。
显然，采样周期取最小值，复现精度就越高，也就是说“越真”。
当T 0时，则计算机控制系统就变成连续控制系统了。
若采样周期太长。
离散控制系统中的采样和保持
离散控制系统中的采样和保持（正文）离散控制系统中的采样和保持技术是一种广泛应用的信号处理方法，它在信号转换和传输中起着重要的作用。
本文将从采样和保持的基本概念出发，探讨其在离散控制系统中的应用及其重要性。
一、采样和保持的基本概念采样和保持技术是将连续时间信号转换为离散时间信号的方法之一。
在离散控制系统中，由于控制器和被控制对象之间的通信往往是通过数字信号进行的，所以需要将被控制对象的连续时间信号转换为离散时间信号进行处理。
采样是指将连续时间信号在一系列离散时间点上进行测量，而保持则是指在采样的瞬间将信号的值保持不变，以便进行后续的数字信号处理。
二、采样和保持的应用在离散控制系统中，采样和保持技术广泛应用于信号的获取、转换和传输过程中，具有以下几个方面的重要应用。
1. 信号采集与传输在离散控制系统中，传感器通常用于将被控制对象的物理量转换为电信号，进而通过模数转换器（ADC）将连续时间信号转换为离散时间信号。
采样和保持技术能够确保在信号转换过程中采样信号的准确性和稳定性，保证了被控制对象的实时监测和数据传输的可靠性。
2. 控制系统的数据处理在离散控制系统中，控制器通过接收采样后的离散时间信号来进行控制决策和计算处理。
采样和保持技术能够确保采样信号的精确性和完整性，从而保证了控制系统对被控制对象的准确控制和运算的可靠性。
3. 信号滤波在离散控制系统中，由于采样信号的获取过程中会引入一定的噪声和干扰，为了减小噪声对信号处理的影响，需要对采样信号进行滤波处理。
采样和保持技术可以在采样瞬间将信号的值保持不变，在此基础上进行滤波处理，提高信号的质量和可靠性。
4. 时序控制在离散控制系统中，时序控制是一种重要的控制方式。
采样和保持技术可以实现对时间规律信号的采样和保持，从而确保时序控制的准确性和可靠性。
比如在工业生产过程中，需要按照一定的时间规律对工艺参数进行控制，采样和保持技术能够实现对关键信号的准确采样和时序保持，从而确保生产过程的稳定性和安全性。
离散控制系统中的采样与保持
离散控制系统中的采样与保持离散控制系统是一种常见的控制系统，其特点是信号是在离散的时间点上进行采样和处理。
在离散控制系统中，采样与保持是一项关键技术，它能够保证信号的准确性和稳定性。
本文将深入探讨离散控制系统中的采样与保持技术。
一、采样在离散控制系统中，采样是指将连续时间域的信号转换为离散时间域的过程。
采样的目的是为了将连续时间的信号转换为数字信号，在数字控制器中进行处理。
采样的频率是决定离散控制系统性能的重要指标之一。
1. 采样定理根据采样定理，为了正确地还原连续时间信号，采样频率必须至少是信号频率的两倍。
如果采样频率低于信号频率的两倍，会出现混叠现象，导致信号失真。
因此，在进行采样时，需要根据信号频率合理选择采样频率，以保证信号的准确性。
2. 采样方式常见的采样方式有脉冲采样和保持采样。
脉冲采样是指在固定时间间隔内对信号进行采样，采样值即为该时刻的信号值。
保持采样则是指在采样时，将采样值保存并保持一段时间，以确保连续时间段内采样值的一致性。
二、保持保持是指在离散控制系统中，将采样得到的信号值保持不变的过程。
保持的目的是为了在离散时间域内，保证信号的稳定性和延续性。
1. 保持电路保持电路是用来保持信号值的电路，在离散控制系统中被广泛应用。
常见的保持电路有电容保持电路和运放保持电路。
电容保持电路通过将信号值存储在电容中，实现信号值的保持。
运放保持电路则通过运放的放大和缓冲特性，保证信号值的稳定性。
2. 保持时间保持时间是指信号值在保持电路中保持不变的时间长度。
保持时间的选择需要综合考虑信号的变化速率以及系统的响应要求。
如果保持时间过长，会导致信号延迟；而保持时间过短，则可能会引入噪声和失真。
三、应用案例采样与保持技术在离散控制系统中有广泛的应用，下面以电力系统的稳压控制为例，介绍采样与保持技术的具体应用。
电力系统中，稳压控制是保证电网稳定运行的重要控制任务之一。
在稳压控制中，需要对电网电压进行采样，并在数字控制器中进行处理。
信号采样与保持
2326.2 信号采样与保持采样器与保持器是离散系统的两个基本环节，为了定量研究离散系统，必须用数学方法对信号的采样过程和保持过程加以描述。
6.2.1 信号采样1. 采样信号的数学表示一个理想采样器可以看成是一个载波为理想单位脉冲序列)(t T δ的幅值调制器，即理想采样器的输出信号)(*t e ，是连续输入信号)(t e 调制在载波)(t T δ上的结果，如图6-6所示。
图6-6 信号的采样用数学表达式描述上述调制过程，则有)()()(*t t e t e T δ=（6-1） 理想单位脉冲序列)(t T δ可以表示为∑∞=-=)()(n T nT t t δδ (6-2)其中)(nT t -δ是出现在时刻nT t =，强度为1的单位脉冲，故式(6-1)可以写为∑∞=-=0*)()()(n nT t t e t e δ由于)(t e 的数值仅在采样瞬时才有意义，同时，假设00)(<∀=t t e所以)(*t e 又可表示为*()()()n e t e nT t nT δ∞==-∑（6-3）2332. 采样信号的拉氏变换对采样信号)(*t e 进行拉氏变换，可得)]([)(])()([)]([)(0**nT t L nT e nT t nT e L t e L s E n n -=-==∑∑∞=∞=δδ (6-4)根据拉氏变换的位移定理，有nTsstnTsedt et enT t L -∞--==-⎰)()]([δδ所以，采样信号的拉氏变换∑∞=-=*)()(n nTsenT e s E (6-5)3. 连续信号与采样信号频谱的关系由于采样信号只包括连续信号采样点上的信息，所以采样信号的频谱与连续信号的频谱相比，要发生变化。
式(6-2)表明，理想单位脉冲序列)(t T δ是周期函数，可以展开为傅氏级数的形式，即∑+∞-∞==n tjn nT s ect ωδ)((6-6)式中，T s /2πω=，为采样角频率；n c 是傅氏系数，其值为/2/21()s T jn tn T T c t edt Tωδ--=⎰由于在]2,2[T T -区间中，)(t T δ仅在0=t 时有值，且1|0==-t tjn seω，所以 0011()n c t dt TTδ+-==⎰（6-7）将式(6-7)代入式(6-6)，得∑+∞-∞==n tjn T s eTt ωδ1)( （6-8）再把式(6-8)代入式(6-1)，有∑+∞-∞==n tjn s et e Tt e ω)(1)(*（6-9）上式两边取拉氏变换，由拉氏变换的复数位移定理，得到234∑+∞-∞=+=n s jn s E Ts E )(1)(*ω (6-10)令ωj s =，得到采样信号)(*t e 的傅氏变换∑+∞-∞=+=n sn j E Tj E )]([1)(*ωωω （6-11)其中，)(ωj E 为非周期连续信号)(t e 的傅氏变换，即⎰+∞∞--=dt et e j E j ωω)()( （6-12）它的频谱)(ωj E 是频域中的非周期连续信号，如图6-7所示，其中h ω为频谱)(ωj E 中的最大角频率。
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大学信息数理学院
计算机控制系统实验报告
第一次实验
实验名称采样与保持
专业自动化142
实验组别徐亮学号14417228
同实验者国梁、王凯翔记录
实验时间2017 年06 月11 日成绩审阅教师
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一、实验目的
（1）了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换—采样过程。
（2）了解判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件。
（3）了解采样周期 T 对系统的稳定性的影响。
（4）掌握控制系统处于临界稳定状态时的采样周期 T 的计算。
（5）观察和分析采样/保持控制系统在不同采样周期 T 时的瞬态响应曲线。
二、实验原理及说明
采样实验
采样实验框图如图所示。
计算机通过模/数转换模块以一定的采样周期对B9 单元产生的正弦波信号采样，并通过上位机显示。
在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）。
图采样实验框图计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，调节信号发生器（B5）单元的调宽旋钮，并以此作为
A/D 采样周期T。
改变T 的值，观察不同采样周期下输出波形与输入波形相比的复原程度（或失真度）。
对模拟信号采样首先要确定采样间隔。
采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于原信号。
采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，。
合理的采样间隔应该是即不会造成信号混淆又不过度增加计算机的工作量。
采样时，首先要保证能反映信号的全貌，对瞬态信号应包括整个瞬态过程；信号采样要有足够的长度，这不但是为了保证信号的完整，而且是为了保证有较好的频率分辨率。
在信号分析中，采样点数N 一般选为2m 的倍数，使用较多的有512、1024、2048、4096 等。
采样保持器实验
线性连续系统的稳定性的分析是根据闭环系统特征方程的根在S 平面上的位置来进行的。
如果特征方程的根都在左半S 平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。
采样/保持控制系统的稳定性分析是建立在Z 变换的基础之上，
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因此必须在Z 平面上分析。
S 平面和Z 平面之间的关系是：S 平面左半平面将映射到Z 平面上以原点为圆心的单位圆，S 平面的右半平面将映射到Z 平面上以原点为圆心的单位圆外。
所以采样/保持控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在Z 平面的单位圆。
只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在Z 平面的单位圆上而其他根在单位圆时，系统就处于临界稳定。
也就是说，只要特征根的模均小于1，则系统稳定；若有一个特征根的模大于1，则系统不稳定。
闭环采样/保持控制系统原理方块图如图所示：
图闭环采样/保持控制系统原理方块图从采样实验中知道采样输出仅在采样点上有值，而在采样点之间无值。
如其输出以前一时刻的采样值
为参考基值进行外推，即可使两个采样点之间为连续信号过度。
可以完成上述功能的装置或者器件就称为保持器。
因为数/模转换器（D/A）具有两极输出锁存能力，所以具有零阶保持器的作用。
使用了采样保持器后，采样点间的信号是外推而得的，实际上已含有失真的成份，因此，采样周期信号频率过低将会影响系统的稳定性。
采样周期T 可由用户在界面上直接修改，在不同采样周期下，观察、比较输出的波形。
闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图所示，闭环采样系统实验中被控对象由积分环节（A3单元）与惯性环节（A5 单元）构成。
三、实验容及步骤
1.采样实验
（1）运行LABACT 程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可选用本实验配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1 测孔测量波形。
（2）正弦波信号发生器单元（B6）中开关置于‘0.1~1Hz’档，输出正弦波为SIN 测孔，调节正弦波信号发生器B6 单元的调频和调幅电位器（正弦波的幅度为2V，频率为0.5Hz）。
（3）函数信号发生器单元（B5）的S1 置‘阶跃’档（最顶端），S2 置到‘2－60mS’档，调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78Hz）。
（4）测孔联线
1 正弦波信号输入 B6 输出（SIN）→B3（虚拟示波器）CH1（选X1 档）
2 采样周期信号B5 输出(S)→B9 输入（IRQ7）
..
（5）调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78Hz），然后慢慢降低,虚拟示波器显示的正弦波严重失真，记录下此时的采样周期。
2.采样保持器实验
（1）运行LABACT 程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样/保持实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1 测孔测量波形。
（2）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。
a．将B5 单元的S1 置‘阶跃’档（最顶端），S2‘0.2-6S’档。
调节B5 单元的调幅电位器使OUT 输出电压为 2.5V，调节调宽电位器使OUT 正输出宽度>6 秒。
（3）安置短路套、联线，构造模拟电路：
（a）安置短路套（b）测孔联线
CH1（选‘X1’档）接到A5 单元输出端OUT（C）。
（5）运行、观察、记录：
１．该实验的显示界面的采样周期T（界面右上角）可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
2．采样周期T 设定为10ms 、30ms 和50ms ，使用虚拟示波器CH1 通道观察A5 单元输出OUT（C）的波形。
观察相应实验现象。
记录波形，并判断其稳定性，在表4-3-1 中填入给此次的各参数与结果。
..
四、实验结果及截图
1.采样实验
..
2.采样与保持
采样周期10ms，稳定
采样周期30ms，衰减振荡
..
采样周期50ms，振荡
五、实验结果分析及感悟
通过本次的采样与保持实验，大致明白了实验的原理及实验步骤，学会了使用LABACT程序和实验箱，实验进行的比较顺利，在调节曲线方面虽然有些曲折，但最终几人不懈努力，并在老师的指导下，调出最理想的曲线。
相信本次实验对我今后的学习与工作有很大的帮助。
..。