實驗指導(dǎo)書及報告課程名稱 數(shù)字化測控技術(shù) 實驗名稱 數(shù)字化測控技術(shù)課程實驗 實驗日期 學生專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 學生學號 學生姓名 實驗室名稱 測控技術(shù)實驗室 教師姓名 周 嚴 成 績 南京理工大學機械工程學院目 錄實 驗 須 知2實驗一 基于集成鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計3實驗二 占空比的數(shù)字化測量9實驗三 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成及程序設(shè)計14實驗四 集散測控系統(tǒng)的集成及應(yīng)用20實 驗 須 知1. 請在每個實驗前認真閱讀實驗指導(dǎo)書，尤其是操作步驟及實驗注意事項。2. 實驗儀器電源的開關(guān)原則:1) 連接測量線路,確認準確無誤后，開啟儀器電源；2) 實驗完畢,關(guān)閉儀器電源,拆除實驗線路。3. 穩(wěn)壓電源不可對地短路。4在通電之前務(wù)必檢查芯片的電源連接是否正確，確認正確后方可通電。5測試過程中必須十分小心，務(wù)必注意不要將芯片引腳短路，否則會損壞芯片。6. 實驗過程中，心要細、動作要輕，不可有強制性機械動作出現(xiàn)。7. 實驗嚴格按操作規(guī)程進行，否則，出現(xiàn)損壞責任自負。8. 實驗完畢，請一切恢復(fù)到實驗前的狀態(tài)，然后離開實驗室。實驗一 基于集成鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計1、 實驗?zāi)康谋緦嶒炛荚谑箤W生深入了解頻率合成器的基本概念及基于鎖相環(huán)的頻率合成器的基本原理，學習并掌握復(fù)雜數(shù)字電路的調(diào)試方法。掌握單片集成鎖相環(huán)CD4046的技術(shù)性能指標及電路設(shè)計方法，學會應(yīng)用CD4046制作數(shù)字頻率合成器。2、實驗內(nèi)容根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計基于集成鎖相環(huán)CD4046的頻率合成器電路，確定鎖相環(huán)的元件參數(shù)，搭建并調(diào)試電路，使之輸出1kHz1MHz，步進0.5kHz的時鐘信號。3、實驗原理及方法頻率合成是用任一指定的基準頻率經(jīng)過一些功能電路的處理，產(chǎn)生一系列需要的穩(wěn)定的多種基準頻率。利用鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成，主要是產(chǎn)生可數(shù)字或程序控制的基準頻率的倍頻基準頻率。其原理是在鎖相環(huán)的反饋回路中插入一N分頻的分頻電路，形成閉環(huán)，此時VCO輸出為NfR。fR 是基準頻率，改變N值即可改變電路的輸出頻率，其穩(wěn)定度與基準頻率相同。原理框圖如圖1.1所示。CD4046晶振基準比較器IVCON分頻器低通濾波器fo圖1.1 頻率合成器原理框圖設(shè)計基于CD4046集成鎖相環(huán)的頻率合成器的主要工作有：（1）設(shè)計調(diào)試晶體振蕩電路，產(chǎn)生基準頻率fR。（2）設(shè)計N分頻器，N的調(diào)節(jié)范圍根據(jù)合成的頻率范圍和基準頻率的大小確定。這里設(shè)基準頻率為0.5kHz，要求合成器輸出頻率1kHz1MHz，步進0.5kHz，則N=22000。分頻器應(yīng)根據(jù)N的范圍設(shè)計。（3）設(shè)計鎖相環(huán)CD4046的相關(guān)元件參數(shù)，這是本設(shè)計的關(guān)鍵及難點所在，需要反復(fù)設(shè)計、調(diào)試及修改確定。圖1.2提供了一基于CD4046的頻率合成器的參考性原理電路，其合成頻率范圍是2kHz1MHz，步進1kHz。實驗時可參考之進行設(shè)計。圖1.2 頻率合成器參考原理電路4、實驗儀器設(shè)備1）雙路直流穩(wěn)壓電源2）雙蹤示波器3）信號發(fā)生器4）41/2位數(shù)字萬用表5）面包板5、實驗電路設(shè)計及工作原理說明1）實驗電路設(shè)計2）電路的工作原理說明6、實驗步驟說明7、實驗結(jié)果記錄及分析實驗數(shù)據(jù)填入表1.1中，對照頻率合成器輸出頻率的理論值與實際測試值，分析說明兩者不一致的原因。表1.1 實驗數(shù)據(jù)記錄表Nfout理論值fout實測值21005001000150020008、思考題1）說明分頻系數(shù)N的確定依據(jù)。2）不測量fout如何判定鎖相環(huán)是否入鎖？實驗二 占空比的數(shù)字化測量1、實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康氖鞘箤W生在掌握占空比數(shù)字化測量的基本原理及方法的基礎(chǔ)上，學習占空比/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與調(diào)試，切實掌握占空比的測量技術(shù)。2、實驗內(nèi)容根據(jù)占空比的數(shù)字化測量原理自行設(shè)計占空比測量的占空比-電壓轉(zhuǎn)換電路，采用數(shù)字電壓表測量轉(zhuǎn)換得到的與占空成正比的電壓值，根據(jù)電壓計算出被測量的占空比，將測量值與采用示波器測量的占空比值進行比較，計算出測量誤差。3、實驗儀器設(shè)備1）直流穩(wěn)壓電源；2）雙蹤示波器；3）信號發(fā)生器；4）41/2位數(shù)字萬用表；5）面包板。4、實驗電路設(shè)計及工作原理說明1）實驗電路設(shè)計2）電路的工作原理說明5、實驗步驟說明6、實驗結(jié)果記錄按表格2.1中的內(nèi)容記錄對應(yīng)的測試結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)填入表2.1中。 表2.1 占空比測量實驗結(jié)果記錄表數(shù)字示波器測量的占空比實驗電路測量的占空比測量相對誤差10%20%30%40%50%60%70%80%90%7、實驗結(jié)果處理與分析8、思考題1）輸入整形電路中采用放大器，則放大器應(yīng)選用何種類型放大器？2）整形電路的輸出為何要接低通濾波器？3）可否用萬用表直讀測量值？要求說明原因。實驗三 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成及程序設(shè)計1、 實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康氖鞘箤W生在學習數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)理論課的基礎(chǔ)上，通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝、連接和編程，掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用方法，加深對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理、用途的了解。2、實驗內(nèi)容1）學習并掌握基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡的安裝，在此基礎(chǔ)上學習輸入與輸出通道的連接方法。2）對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行匯編語言及VC+編程，使之能夠在程序控制下進行數(shù)據(jù)采集。3）對數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)進行匯編語言及VC+編程，使之能夠在程序控制下輸出模擬電壓信號。3、實驗原理及方法實驗的基本方法是將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機的ISA插槽內(nèi)，將配接電纜與采集卡連接好，在輸入通道施加輸入電壓，之后即可開始編程。1）采集卡輸入/輸出連接器引腳定義圖見圖3.1。電纜中各顏色導(dǎo)線與輸入輸出通道的關(guān)系如下：紅色對應(yīng)ch0，黃色對應(yīng)ch1，綠色對應(yīng)ch2，蘭色對應(yīng)ch3， 白色對應(yīng)D/A輸出，黑色對應(yīng)GND。圖3.1數(shù)據(jù)采集卡輸入/輸出連接器引腳定義圖 2）數(shù)據(jù)采集卡的接口地址實驗用數(shù)據(jù)采集卡是基于PC機ISA總線的多路數(shù)據(jù)采集卡，該卡具有8路模擬輸入和1路模擬輸出。控制方式采用查詢方式，模擬輸入通道的電壓輸入范圍是5V，模擬輸出通道的電壓輸出范圍是010V，該卡的所用的A/D轉(zhuǎn)換器是AD574，D/A轉(zhuǎn)換器是DAC0832。相關(guān)控制口的地址如表3.1。表3.1 數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)口地址控制口名稱口地址控制口名稱口地址選擇通道口03ACH讀轉(zhuǎn)換狀態(tài)口03A8H啟動采樣口03AFH讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位口03A1H啟動保持口03AEH讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低4位口03A0H啟動 A/D轉(zhuǎn)換口03ABH啟動D/A轉(zhuǎn)換口03A3H3）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計流程（1）選擇通道：向03AC口寫入通道號。（2）啟動采樣保持器采樣：向03AF口寫入任意數(shù)。（3）延時程序。（4）啟動采樣保持器保持：向03AE口寫入任意數(shù)。（5）啟動A/D轉(zhuǎn)換：向03AB口寫入任意數(shù)。（6）判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束：讀03A8口，判斷最低位是否為“0”，為“0”表示轉(zhuǎn)換完畢，程序轉(zhuǎn)入（7）。為“1”表示轉(zhuǎn)換仍在進行，程序返回（5）。（7）取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：分兩次讀取，先從03A1口取高8位，然后從03A0口取低4位，取出的數(shù)16位，低4位為0。4）D/A輸出控制程序設(shè)計流程先向03A3H寫入數(shù)據(jù)，然后再向03A2H寫入任意數(shù)即可輸出與寫入03A3H口的數(shù)對應(yīng)的模擬電壓。4、實驗儀器設(shè)備1）三路直流穩(wěn)壓電源2）數(shù)字萬用表3）安裝有Windows98操作系統(tǒng)及WindowsXP雙系統(tǒng)的的工業(yè)控制計算機或帶有ISA插槽的PC電腦。5、數(shù)據(jù)采集硬件集成及程序設(shè)計1）硬件集成（1）在確保斷電的前提下，打開計算機的機箱蓋，將數(shù)據(jù)采集卡插入主機板的ISA總線擴展槽內(nèi)，用螺絲刀及固定螺釘將采集卡固定。檢查安裝無誤后將機箱蓋蓋好。（2）將連接電纜的針狀DB15連接器與數(shù)據(jù)采集卡的孔狀DB15連接器對接，并擰緊螺釘，到此數(shù)據(jù)采集卡安裝完畢。2）匯編語言程序設(shè)計（1）首先進行模擬輸出控制的程序設(shè)計，編寫程序并運行程序使模擬輸出通道輸出010V按一定間隔幅度增加的模擬電壓，并將根據(jù)電壓控制碼計算的理論值與實際測量值對比記錄在表3.2中。表3.2 模擬輸出電壓與理論值的對比記錄電壓控制碼輸出電壓理論值(V)輸出電壓實際值(V)012345678910（2）將電壓源的輸出作為模擬輸入通道的輸入信號分別接至各通道，編寫控制程序?qū)斎胄盘栠M行數(shù)據(jù)收集，將轉(zhuǎn)換結(jié)果填入表3.3中表3.3 數(shù)據(jù)采集記錄模擬輸入信號(V)轉(zhuǎn)換結(jié)果的實際數(shù)字碼轉(zhuǎn)換結(jié)果的理論數(shù)字碼-5-3.75-2.5-1.2501.252.53.7553）VC+程序設(shè)計（1）編程演示程序界面如圖3.2所示，在采集數(shù)據(jù)前需進行波形選擇，包括正弦信號，鋸齒信號，方波信號。并設(shè)置信號頻率和幅值，若選擇方波信號，還需設(shè)置占空比。設(shè)置好采樣頻率之后可單擊“開始”按鈕，開始采樣。再單擊“停止”按鈕即可結(jié)束。通過單擊“左移”“游移”“停”“前幀”“后幀”幾個按鈕可實現(xiàn)波形的左右移動和前后幀切換。單擊“幅值測量”，在單擊波形上某一點，可對獲取的波形的進行幅值測量。圖3.2 程序界面圖（2）自行程序設(shè)計自行設(shè)計的程序界面如圖3.3所示，在DAC按鈕左側(cè)的編輯框中輸入D/A輸出的電壓值（0-10V），按下DAC按鈕，執(zhí)行DA程序。按下ADC按鈕，執(zhí)行AD程序，得到的結(jié)果在ADC左側(cè)的編輯框中顯示。圖3.4分別為ADC代碼、DAC代碼編寫位置（在caijiDlg.cpp文件中）。圖3.5為所用到的具體函數(shù)的聲明（在device.h文件中），其中設(shè)備的初始化，打開和關(guān)閉已經(jīng)在程序中寫好，無需再寫。函數(shù)中需要的設(shè)備句柄也已獲取，為hDev，在編寫ADC和DAC函數(shù)時直接調(diào)用即可。圖3.3 自行設(shè)計程序界面圖圖 3.4 DAC與ADC函數(shù)添加代碼區(qū)域圖圖3.5 函數(shù)圖首先進行模擬輸出控制的程序設(shè)計，在添加DAC函數(shù)位置處編寫程序并運行程序使模擬輸出通道輸出010V按一定間隔幅度增加的模擬電壓，并將根據(jù)輸出電壓的理論值與實際測量值對比記錄在表3.4中。表3.4 模擬輸出電壓與理論值的對比記錄擬輸出電壓值(V)輸出電壓理論值(V)輸出電壓實際值(V)001122334455667788991010將電壓源的輸出作為模擬輸入通道的輸入信號分別接至各通道，在添加ADC讀取函數(shù)處編寫控制程序?qū)斎胄盘栠M行數(shù)據(jù)收集，將轉(zhuǎn)換結(jié)果填入表3.5中表3.5 數(shù)據(jù)采集記錄模擬輸入信號(V)實際轉(zhuǎn)換結(jié)果理論轉(zhuǎn)換結(jié)果-5-3.75-2.5-1.2501.252.53.7556、實驗結(jié)果分析7、思考題1）若實測轉(zhuǎn)換結(jié)果與理論值不一樣是什么原因？2）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是什么碼制？3）電路設(shè)計將12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果分為高8位和低4位輸出，如果要求12位并行輸出，應(yīng)如何改變電路設(shè)計，請?zhí)岢鲈O(shè)想。實驗四 集散測控系統(tǒng)的集成及應(yīng)用1、 實驗?zāi)康谋緦嶒灥哪康氖鞘箤W生在學習集散測控系統(tǒng)理論課的基礎(chǔ)上，通過對集散測控系統(tǒng)的組建和編程調(diào)試，掌握集散測控系統(tǒng)的集成方法，加深對集散測控系統(tǒng)原理、應(yīng)用的了解。2、 實驗內(nèi)容1）學習并掌握分布式監(jiān)控模塊的使用方法及編程技術(shù)。2）學習并掌握基于分布式監(jiān)控模塊及RS-485總線的集散測控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及集成方法。3）構(gòu)建基于分布式監(jiān)控模塊、RS-485總線和上位機的集散測控系統(tǒng)。編寫上位機監(jiān)控程序并調(diào)試系統(tǒng)。（1）采用VC+編寫串口通訊程序，實現(xiàn)分布式模塊與上位機的通訊。（2）實現(xiàn)模擬電壓的分布式測量。（3）實現(xiàn)頻率的分布式測量。（4）實現(xiàn)分布式模擬輸出模塊的控制，輸出模擬電壓。3、實驗原理及方法系統(tǒng)的基本構(gòu)成見圖4.1。圖4.1 集散測控系統(tǒng)的基本構(gòu)成系統(tǒng)由上位主控計算機、接口模塊、分布式模塊及電源構(gòu)成，接口模塊將RS232邏輯轉(zhuǎn)換成RS485邏輯，分布式模塊通過RS485總線連接成串行網(wǎng)絡(luò)，并通過接口模塊與上位主控計算機連接，主控軟件控制整個系統(tǒng)的運行。其中分布式模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、模擬輸出模塊、頻率計數(shù)模塊。按照以上結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)采集模塊、模擬輸出模塊、頻率計數(shù)模塊連接成分布式系統(tǒng)，并通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊與主控上位計算機連接。4、實驗儀器設(shè)備1） 工業(yè)控制計算機或PC機。2） RS232C-RS485轉(zhuǎn)換接口模塊。3） 數(shù)據(jù)采集模塊、頻率計數(shù)模塊、模擬輸出模塊等分布式模塊。4） 電壓源、萬用表、信號發(fā)生器和頻率計。5、實驗步驟1）將方波發(fā)生器的輸出與頻率計數(shù)模塊的輸入連接。2）模擬輸出模塊作為電壓信號源使用，其輸出接數(shù)據(jù)采集模塊的輸入。3）利用模塊配套的調(diào)試軟件調(diào)試系統(tǒng)。4）若調(diào)試正確可以進入上位機主控程序的編制，若不正確檢查系統(tǒng)硬件連接，直到調(diào)試正確為止。6、程序設(shè)計1）演示程序運行API_smp文件夾下API_smp.exe程序，出現(xiàn)程序主界面如圖4.2所示。圖4.2程序主界面先選擇正確的串口號，否則程序?qū)箦e，如圖4.3所示。頻率測量：點擊7080模塊部分的“開始”按鈕，程序連續(xù)測量方波的頻率，在文本框中顯示測量值。圖4.3 串口錯誤電壓輸出：先在7012模塊部分的文本框中鍵入要輸出的電壓值（精確到小數(shù)點后的三位），按“輸出”按鈕。數(shù)據(jù)采集：先在7017模塊部分的下拉選框中選擇模塊的輸入通道號（默認為“通道一”），點擊“開始”按鈕，將在文本框中顯示即時輸入值，并繪出輸入曲線。程序運行前，請確保各模塊的輸入在量程范圍之內(nèi)，否則程序報錯，如圖4.4所示。圖4.4 模塊輸入錯誤單擊“數(shù)據(jù)庫”按鈕，將出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫界面，在下拉菜單中選擇查詢的模塊號，查看之前運行的數(shù)據(jù)。以“7017模塊數(shù)據(jù)”為例，查詢結(jié)果如圖4.5所示。圖4.5 “7017模塊數(shù)據(jù)”查詢結(jié)果2）自行設(shè)計的串口通訊程序及注解請對照演示程序編寫串口部分函數(shù)。首先，在串口選擇下拉菜單（IDC_chcom）的選擇響應(yīng)函數(shù)OnSelchangechcom()中添加打開串口并初始化語句，（模塊設(shè)置為：波特率為9600，每個字節(jié)8位，無奇偶校驗位，兩個停止位）。添