计算机控制基础课件课后题及其答案

1、叙述采样定理，在模数转换系统中采样频率一般如何确定？

采样频率越高，采样信号 y*(t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高有效频率f max的2倍，即f ≥ 2f max。

采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f ≥（5~10）f max。

2、以常见A/D转换芯片为例,简述其主要性能指标以及在选用时主要考虑哪些问题?

（1）分辨率

分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：

分辨率 = 满刻度值/2n

（2）转换精度

A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。

所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least Significant Bit)）来表示，1LSB = 1／ 2n 。

例如，对于一个8位0~5V的A/D转换器，如果其相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5 mV，相对百分误差为0.39％。一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。

（3）转换时间

A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。

8位A/D转换器的分辨率约为0.0039，转换精度在0.4％以下, 这对一些精度要求比较高的控制系统而言是不够的，因此要采用更多位的A/D转换器，如10位、12位、14位等A/D转换器。

⏹1．简述键盘的两种类型及其特点。

键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。

编码键盘的特点是使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的，因而硬件电路复杂、成本高。而非编码键盘硬件电路简单，成本低，但占用CPU的时间较长。

⏹2．简述何为键盘的抖动干扰及其消除的两种方法。

由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬

间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰

去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。

硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。

软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。

3．对比分析说明图5-3与图5-5两种键盘接口电路的异同。图5-3即为独立式键盘查询法接口电路。该接口电路实现的功能为：查询检测是否有键按下，如有键闭合，则消除抖动，再判断键号，然后转入相应的键处理。采用查询法时，必须保证CPU每隔一定时间主动地去扫描按键一次，该扫描时间间隔应小于两次按键的时间间隔，否则会有按键不响应的情形。显然这种方式占用CPU时间比较多。

图5-5是一种典型的中断法键盘接口电路。键盘中断服务子程序，与查询方式相似，在保护现场后，首先调用100mS延时子程序去除抖动，然后依次查键号，并转入键功能处理程序，最后恢复现场、中断返回。显然，查询顺序代表了按键的排队优先级。采用中断法时，CPU对按键而言是被动方式，在无键按下时不占用CPU 时间，因而CPU有更多的时间执行其他程序。

上述分析说明：独立式键盘接口电路简单灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，需要占用较多的I/O口线。比如64个按键，需要有64根线，不仅连线复杂，查询按键的时间也较长。故这种键盘电路只适合于按键数量比较少的小型控制系统或智能控制仪表中。

⏹4．结合图5-6，分析说明矩阵式键盘电路的逐行零扫描法的工

作过程。

⏹行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号

“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此（低电平）行中是否有键按下。如果读得某列线为低电平，则表示此（低电平）行线与此列线的交叉处有键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；

如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)行没有键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入，直到8行全部查完为止，若无键按下则返回。例如跨接在X2行与Y1列的18键按下，其键值计算方法如下：第一次“0”行扫描X0行，无键按下，CL=00+08=08，接下来扫X1行，仍无键按下，加08并进行DAA修正，CL=08+08=16，再扫X2行，此时读入的列值不等于FFH即表明有键按下，则CL=16不变。然后转求列值，列值寄存器先加1再把读入的列值循环移位，由于按下的键在Y1列，所以需移位两次才能移出0值，因此DL=02，然后将行值寄存器与列值寄存器之值相加，并进行DAA修正，得到

AL=CL+DL=16+02=18，即键值为18。

⏹5．分析说明图5-8二进制编码键盘接口电路的工作原理。

图5-8是一种采用两片CD4532B构成的16个按键的二进制编码接口电路。其中由于U1的Eo作为U2的Ei，所以按键S0的优先级最高，S15的优先级最低。U1和U2的输出O2 ~ O0经或门A3 ~ A1输出，以形成低3位编码D2 ~ D0。而最高位D3则由U2的GS产生。当按键S8 ~ S15中有一个闭合时，其输出为“1”。从而S0 ~ S15中任意一个键被按下，由编码位D3 ~ D0均可输出相应的4位二进制码

⏹6．结合图5-8与图5-9，分析说明硬件电路消除抖动干扰的过

程。

为了消除键盘按下时产生的抖动干扰，该接口电路还设置了由与非门B1、B2、电阻R2、电容C2组成的单稳电路和由或门A4、电阻R1、电容C1组成的延时电路，电路中E、F、G、H和I这五点的波形如图5-9所示。由于U1和U2的GS接或门A4的输入端，所以当按下某键时，A4 为高电平，其输出经R1和C1 延时后使G 点也为高电位，作为与非门B3 的输入之一。同时，U2的输出信号Eo 触发单稳(B1和B2)，在暂稳态持续时间ΔT内，其输出F 点为低电位，也作为与非门B3的输入之一。

由于暂稳态期间(ΔT)E点电位的变化（即按键的抖动）对其输出F点电位无影响，所以此时不论G点电位如何，与非门B3 输出(H 点)均为高电位。当暂稳延时结束，F点变为高电位，而G点仍为