数字控制技术实验指导书(浙江天煌)

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。

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