Wmax为信号的最高频率，Ws为采样频率。
实验线路图：
本实验中，我们将具体来验证香农定理。
可设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
上图中，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。
这里，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。
参考程序流程：
基于上面的实验线路，可以设计如下的参考程序流程。
实验参考程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-1.ASM文件。
* 信号的还原原理
（1）实验原理
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Ws比2Wmax大，如：
Ws≥10Wmax。
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。
直线插值法（取Ws>5Wmax）
利用式1.2-1在点（X0,Y0）和（X1,Y1）之间插入点（X,Y）
Y=Y0+K（X−X0）式1.2-1
其中：
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。
二次曲线插值法（取Ws>3Wmax）：
Y=Y0+（X−X0）[K1+K2（X−X1）]式1.2-2
其中K1=，K2=
（2）实验线路图设计
为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
上图中，控制计算机“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。
这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“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，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。
采样周期T=TK×10ms，TK的范围为01~FFH。
（3）参考程序流程图设计
实验参考程序：
直线插值法参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-2.ASM文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-3.ASM文件。
实验步骤及结果
1.采样与保持
（1）参考流程图1.2-2编写零阶保持程序，编译、链接。
（2）按照实验线路图1.2-1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。
实际测量的波形图：
（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”。
“OUT1”端的参考波形如图1.2-5所示。
实际测量的波形图：
由图可知，信号的采样效果和预期的差不多。
（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。
Tk=34H
实际测量的波形图：
数字滤波
一、实验目的
1.学习和掌握一阶惯性滤波
2.学习和掌握四点加权滤波
二、实验内容
分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。
三、实验设备
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
四、实验原理与步骤
一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。
由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：
数模转换
OUT
模数转换
IN7
控制
计算机
1．滤波器算法设计
一阶惯性滤波：
相当于传函的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式
YK=（1−a）XK+（a）YK−1
XK：
当前采样时刻的输入
YK：
当前采样时刻的输出
YK-1：
前一采样时刻的输出
T：
采样周期，1-a=
四点加权滤波算法为：
YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3（式中A1=1）
XK：
当前采样时刻的输入
XK-1：
前一采样时刻的输入
YK：
当前采样时刻的输出
2．参考流程图：
实验中的参数：
1－a、a、A1、A2、A3、A4为十进制2位小数（BCD码），取值范围：
0.00～0.99，只须对应存入00～99。
程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。
实验参考程序：
一阶惯性请参照随机软件中的example目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。
3．实验线路图：
图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。
上图中，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。
电路中用RC电路将S端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。
注意R点波形不要超过±5V，以免数字化溢出。
计算机对有干扰的正弦信号R通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C输出。
实验步骤及结果
1.参照流程图分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。
2.按图1.3-3接线，检查无误后开启设备电源。
调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms的干扰信号（从“NC”端引出），调节接线图中的两个47K电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。
实际测量的波形图：
3.分别装载并运行程序，运行前可将“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R点和C点，比较滤波前和滤波后的波形。
一阶惯性:
Tk=01
实际测量的波形图：
Tk=08
实际测量的波形图：
由图可知，T越大，信号的噪声偏离也就越大。
实验二开环系统的数字程序控制
数字PWM发生器和直流电机调速控制
一、实验目的
掌握脉宽调制（PWM）的方法。
二、实验内容
用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。
三、实验设备
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
四、实验原理与步骤
1．PWM（PulseWidthModulation）简称脉宽调制（见图2.1-1）。
即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。
VHVL
图2.1-1
2．实验线路图：
图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
图2.1-2
图中，“DOUT0”表示386EX的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后控制直流电机。
本实验中，由系统产生1ms的定时中断。
在中断处理程序中完成PWM脉冲输出。
最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0引脚来模拟PWM输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。
3．参考流程图
图2.1-3
实验参考程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC2-2-1.ASM。
实验步骤
1．参考实验线路图的说明及流程图2.1-3，编写相应的主程序及PWM子程序，检查无误后编译、链接。
2．按图2.1-2接线，检查无误后开启设备的电源。
3．装载程序，将全局变量TK（PWM周期）和PWM_T（占空比）加入监视，以便实验过程中修改。
4．运行程序，观察电机运行情况。
实际测量波形图：
5．终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T变大，重复第3步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。
电机每转动一圈，“HR”端（霍尔元件的输出端）就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。
Tk=0C8H;PWM_T=14H;FPWM=01H;
HR
6．注意：
在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。
当DOUT0为1时，直流电机将停止转动；当DOUT0为0时，直流电机将全速转动，如果长时间直流电机处于全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。
五、实验思考题
本实验中是通过改变脉冲的占空比，周期T不变的方法来改变电机转速的，还有什么办法能改变电机的转速，应该怎么实现？
答：
在本实验中的方法是数字控制的方法，其本质是控制直流电机的电枢电压，也可以通过改变脉冲的频率，占空比不变的方法来实现直流电机的调速，或者同时改变占空比和周期的方法都可以。
实验三数字PID闭环控制
按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器（也叫PID控制器）。
它是在连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。
随着计算机技术的飞速发展，PID控制算法可以用计算机程序实现了，而这进一步拓宽了PID调节器的应用领域，出现了各种新型数字PID控制器。
本章将从多个方面来开展数字PID控制器的实验研究。
数字PID控制算法
在模拟调节系统中，PID算法表达式为：
在计算机系统中，离散的数字PID算法可以表示为位置式PID控制算式，或增量式PID控制算式。
位置式PID控制算式为：
T：
采样周期，
k：
采样序号，
u（k）：
第k次采样调节器输出，
e（k）：
第k次采样误差值，
e（k－1）：
第（k－1）次采样误差值
增量式PID控制算式为：
增量式与位置式相比具有以下优点：
1．增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。
2．增量式中，计算机只输出增量，误动作（计算机故障或干扰）影响小。
3．在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。
4．增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。
积分分离法PID控制
一、实验目的
1．了解PID参数对系统性能的影响。
2．学习凑试法整定PID参数。
3．掌握积分分离法PID控制规律
二、实验设备
PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块
三、实验原理和内容
图3.2－1
图3.2－1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。
图3.2－2
上图中，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，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。
这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：
当误差e（k）较大时，取消积分作用；当误差e（k）较小时才将积分作用加入。
图10.2－3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。
图3.2－3
实验参考程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC3―2―1.ASM。
为了便于实验参数的调整，下面讨论PID参数对系统性能的影响：
（1）增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。
（2）增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
（3）增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在调整参数时，可以使用凑试法。
参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。
（1）首先整定比例部分。
将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。
如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。
（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。
整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小（如80％），然后减小积分时间，使静差得到消除。
如果动态性能（过渡时间短）也满意，则需PI调节器即可。
（3）若动态性能不好，则需加入微分作用。
整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果
由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。
四、实验步骤
1．参考流程图3.2－3编写实验程序，检查无误后编译、链接。
2．按照实验线路图3.2－2接线，检查无误后开启设备电源。
3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。
确定系统的采样周期以及积分分离值。
实际测量波形图：
4．装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI（积分系数）和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。
5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别观测输入端R和输出端C。
实际测量波形图：
超调量15%，过渡时间2.5s
6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。
实际测量波形图：
超调量8%，过渡时间2s，和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较可知，系统输出量降低，调节时间缩短。
8．将6和7中的较满意的响应曲线
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