实验一采样与保持

常州大学硬件实验报告 常州大学常州大学 信息数理学院 计算机控制系统 实验报告实验报告 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 常州大学硬件实验报告 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 常州大学硬件实验报告 1 实验目的实验目的 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 2 实验原理及说明实验原理及说明 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 常州大学硬件实验报告 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 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内 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 平面的单位圆内 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内时 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 常州大学硬件实验报告 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 3 实验内容及步骤实验内容及步骤 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 常州大学硬件实验报告 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 模块号 跨接座号 A1S4 S8 2A2S1 S6 3A3S3 S10 S11 4AS3 S7 S10 5B S ST 4 虚拟示波器 B3 的联接 示波器输入端 CH1 选 X1 档 接到 A5 单元输出端 OUT C 5 运行 观察 记录 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 常州大学硬件实验报告 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 4 实验结果及截图实验结果及截图 1 采样实验 常州大学硬件实验报告 常州大学硬件实验报告 2 采样与保持 采样周期 10ms 稳定 采样周期 30ms 衰减振荡 常州大学硬件实验报告 采样周期 50ms 振荡 5 实验结