实验三 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。
R2R5R3-++R4R6+3vADCx(C8051F060)uiR0R1+3v-++0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。
3．实验设备中的模拟量输出通道 （1）主要功能：变C8051F060引脚DAC的单极性输出（0V～＋10V）为双极性输出（－10V～＋10V）。 （2）模拟量输出通道基本电路：见图1.2。 由一个偏移电路环节（－2.5V）与放大器电路环节组成。 R2DACxR0R1-2.5v图1.2-++R5R3-++R4R6Out（3）模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口O1，O2。 4．C8051F060与上位机的关系与分工 C8051F060与上位机之间，通过USB2.0口完成数据通讯。以C8051F060为核心构成的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
利用实验设备产生两路相位互差180?的斜坡信号的电路见图1.3，其中R0＝R1=R2，R3
＝R4。在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信号，如图1.4.a所示，在I2和I1端分别得到如图1.4.b、1.4.c所示互为倒相的周期信号。 R2O1O2R0R1-++R4R3-++I1I2图1.3
图1.4 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??
? 0 T1?t?T
（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实验四 直流电机转速计算机控制实验
一．实验目的：
1．熟悉并加深理解PID参数对系统动态性能的影响； 2．掌握数字PID控制方法； 二．实验原理： r(t) e(k)PIDu(k)Z.0.H被控对象c(t) 图1.1 计算机控制闭环系统框图 计算机控制系统的框图如图1.1所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统来实现。通过数字PID控制器来控制直流电机在给定一定的情况下，电机的转速按给定的转速稳定运转。
三．实验设备：
1．ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；
2．数字式万用表。
四．实验内容和步骤：
计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。
功率转换OmImINOUTM转速测量图1.2 被控对象的接线图 1．将ACCT-II面板和ACCT-III面板上的船形开关拨到“OFF”状态； 2．如图1.2所示，将ACCT-II面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出O1接到
ACCT-III面板上低压直流电动机调速中功率转换电路的输入，同时将转速测量电路的输出
接到A/D输入I1，由于功率转换电路和转速测量电路不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；
3．检查线路后，再将两块面板上的船形开关拨到“ON”状态；
4．打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面(实验四 数字PID控制器)，系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。
5．改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。