计算机控制技术实验报告.(DOC)

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 。max 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。

STR /OE EOC CLOCK

IN7

A

B C

D0 ┆

D7

+5V i386EX CPU

24MHz

TMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1

WR#CLK2 M/IO# A0

XD0┆XD7

OUT1/IOY01MHz 分频模数转换单元

控制计算机

/CS /WR A0

OUT1D0

┆ D7 /IOY1

/IOW

IRQ7

数模转换单元

正弦波OUT

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。

系统初始化

主程序

变量初始化

等待中断

还原采样周期变量

采样中断服务程序（零阶保持）

采样周期到否？

读取A/D 采样值，送D/A 输出

Y

N

中断返回

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。

（4）加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk ”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。

（5）增大采样周期，当采样周期>0.5S 时，即Tk>32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。

2．信号的还原

编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率s ω比max 2ω大，如：max 10ωω≥s 。但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。

（1）直线插值法（取max 5ωω≥s ）利用式1.2 -1在点（X0，Y0）和（X1，Y1）之间插入点（X ，Y ）。

)(00X X K Y Y -+=

其中：0

10

1X X Y Y K --=

X1−X0为采样间隔，Y1−Y0分别为X1和X0采样时刻的AD 采样值。

（2）二次曲线插值法（取max 3ωω>s

）：)]()[(12100X X K K X X Y Y -+-+=

其中，1

20101020220

1011,

X X X X Y Y X X Y Y K X X Y Y K -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=

--= 直线插值与二次曲线插值程序流程图如图2-3所示。

采样中断服务程序（直线插值）

采样周期到否？

计算插值点并送D/A 输出

N

Y

采样周期变量减一D/A 输出前一采样值，计算K1采样周期变更还原

采样中断服务程序（二次曲线插值）

采样周期到否？

计算插值点并送D/A 输出

N

Y

采样周期变量减一

D/A 输出前一采样值，计算K1、K2

采样周期变更还原

中断返回

中断返回图2-3 直线插值与二次曲线插值程序流程图

实验步骤：

（1）参考流程图2-3分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。 （2）按照线路图2-1接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、调频 电位器，使正弦波单元输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

（3）分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk 加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。 由上述结果可以看出：在采样频率Ws =10Wmax 时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。

（4）（3）中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率下的效果。

对于零阶保持来说：当采样频率≥信号频率的10倍时，即AH T S T k k 0,110

1

≤⋅≤信

号的还原效果较好。

对于直线插值来说：当采样频率≥信号频率的5倍时，即H T S T k k

14,15

1≤⋅≤

信