心電信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)(共28頁)

1、心電信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) PAGE 33心電信號處理(xn ho ch l)系統(tǒng)的設(shè)計(shj)與實(shí)現(xiàn)摘 要系統(tǒng)的研究心電信號處理對疾病的早期預(yù)測及家庭醫(yī)療保健具有十分重要的意義(yy)，一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。心血管疾病是人類生命的最主要威脅之一，而心電(Electrocardiogram)，ECG信號是診斷心血管疾病的主要依據(jù)，心電信號是心臟電生理活動在體表的表現(xiàn)，提供了心臟功能等生理狀況的有重要價值的臨床醫(yī)學(xué)信息，是臨床心臟病診斷的基礎(chǔ)。因此，設(shè)計心電信號處理系統(tǒng)具有重要意義。本論文分析了國內(nèi)外心電信號處理儀發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，介紹了設(shè)計過程中所涉及到的相關(guān)概念及資料。整個前置

2、級電路由前置放大電路，陷波電路和濾波電路構(gòu)成。系統(tǒng)采用三運(yùn)放組成的前置放大電路進(jìn)行心電信號的初步放大，使用模擬低通和模擬高通組成的模擬帶通濾波器對干擾信號加以濾除，同時使用陷波器對50Hz的工頻干擾進(jìn)一步濾除，得到比較純凈的心電信號，再對其實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)處理系統(tǒng)最終將檢測結(jié)果用LCD顯示出來。關(guān)鍵詞: 心電信號處理，放大，濾波，虛擬儀器 ECGSIGNALPROCESSINGSYSTEMThe research of portable ECG manager, which has always been the hot spot biomedical engineering, ha

3、s significant meaning for the early-stage prediction of cardiovascular disease and family medical health care. Currently, with the development of electronic, communicative and software technique, the ECG manager has great promotion on size, power consumption, and data storage and data transmission.

4、The property and quality of medical productions have great influence on the life security of the patients; therefore, researches of related topics become quite important in meaning.This paper analyses the current situation and trend of the development of ECG manager domestically and internationally，

5、introduced the relatively concept and materials involved in the process. In addition use of the composition of the three op amp preamp circuit to enlarge the initial ECG, we also use analog low-pass and analog high-pass analog filter just like components band-pass to filter out signal interference,

6、while the use of active notch filter frequency of 50Hz can further filt out interference, getting a more pure ECG signal. And then through the implementation of A/D conversion, single-chip processing system, the final test results will be displayed by LCD. The ECG analyzer has good characteristics s

7、uch as low-power, portable and real-time and so on. KEY WORDS: ECG manager, amplification, filtering, virtual instrument目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc419990663 1.1 背景(bijng)介紹 PAGEREF _Toc419990663 h 1 HYPERLINK l _Toc419990664 1.2 相關(guān)(xinggun)概念 PAGEREF _Toc419990664 h 2 HYPERLINK l _Toc419

8、990665 1.2.1 心電信號的基本特征 PAGEREF _Toc419990665 h 2 HYPERLINK l _Toc419990666 1.2.2 心電信號處理(xn ho ch l)儀的生物學(xué)基礎(chǔ) PAGEREF _Toc419990666 h 3 HYPERLINK l _Toc419990667 1.2.3 心電導(dǎo)聯(lián) PAGEREF _Toc419990667 h 4 HYPERLINK l _Toc419990668 2.1 概念及特點(diǎn) PAGEREF _Toc419990668 h 5 HYPERLINK l _Toc419990669 2.2 虛擬儀器的構(gòu)成 PAGE

9、REF _Toc419990669 h 5 HYPERLINK l _Toc419990670 2.3 Proteus簡介 PAGEREF _Toc419990670 h 6 HYPERLINK l _Toc419990671 3.1 總體設(shè)計思路 PAGEREF _Toc419990671 h 8 HYPERLINK l _Toc419990672 3.2 導(dǎo)聯(lián)方式 PAGEREF _Toc419990672 h 8 HYPERLINK l _Toc419990673 3.3 前置放大電路 PAGEREF _Toc419990673 h 8 HYPERLINK l _Toc419990674

10、 3.3.1 模塊分析 PAGEREF _Toc419990674 h 8 HYPERLINK l _Toc419990675 3.3.2 電路實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc419990675 h 9 HYPERLINK l _Toc419990676 3.3.3 儀用放大器實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc419990676 h 11 HYPERLINK l _Toc419990677 3.4 濾波電路 PAGEREF _Toc419990677 h 14 HYPERLINK l _Toc419990678 3.4.1 模塊分析 PAGEREF _Toc419990678 h 14 HYPERL

11、INK l _Toc419990679 3.4.2 分塊電路實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc419990679 h 14 HYPERLINK l _Toc419990680 3.4.3 放大濾波電路整體效果圖 PAGEREF _Toc419990680 h 17 HYPERLINK l _Toc419990681 3.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊 PAGEREF _Toc419990681 h 18 HYPERLINK l _Toc419990682 3.5.1 ADC0809引腳功能 PAGEREF _Toc419990682 h 18 HYPERLINK l _Toc419990683 3.5.2 A

12、/D轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc419990683 h 19 HYPERLINK l _Toc419990684 3.5.3 MCS-51系列單片機(jī)與ADC0809接口 PAGEREF _Toc419990684 h 20 HYPERLINK l _Toc419990685 3.5.4 A/D轉(zhuǎn)換程序 PAGEREF _Toc419990685 h 21 HYPERLINK l _Toc419990686 4 心電信號分析方法 PAGEREF _Toc419990686 h 22 HYPERLINK l _Toc419990687 4.1 時域分析(fnx) PAGEREF _

13、Toc419990687 h 22 HYPERLINK l _Toc419990688 4.2 頻域分析(fnx) PAGEREF _Toc419990688 h 22 HYPERLINK l _Toc419990689 4.3 自相關(guān)函數(shù)(hnsh)分析 PAGEREF _Toc419990689 h 221緒論(xln)1.1 背景(bijng)介紹心臟類疾病(如心肌梗死、心肌缺血、心房撲動和室性心動過速等)的發(fā)病具有突發(fā)性、高危險性的特點(diǎn)，不少患者在發(fā)病時沒有任何癥狀，因此有必要設(shè)計一種能隨身攜帶、長時間檢測并實(shí)時分析(fnx)病人心電信號的、具有報警功能的心電信號處理儀，以滿足家庭保健

14、的需要。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大量微功耗、高精度器件的出現(xiàn)為便攜式低功耗心電信號處理儀的設(shè)計帶來了方便，特別是低功耗、大容量Flash單片機(jī)和計算能力強(qiáng)的ARM、DSP處理器的出現(xiàn)，使得心電信號處理儀能夠同時具有低功耗和實(shí)時分析的特性成為可能1。隨著電子技術(shù)及軟件技術(shù)的發(fā)展，心電信號處理儀在體積、功耗、自動分析方也有了長足發(fā)展。20世紀(jì)70年代中期，記錄器更趨于小型化，記錄時間更長(24-48h)，回放系統(tǒng)開始采用自動分析程序，能夠準(zhǔn)確計算心率、異位心搏和段改變。20世紀(jì)80年代中后期，隨著微型計算機(jī)和微處理器的應(yīng)用，開始出具有實(shí)時分析功能的多通道多功能磁介記錄器，且回放系統(tǒng)使用了計算機(jī)，使

15、分析運(yùn)算的準(zhǔn)確性和速度均顯著提升。打印系統(tǒng)已普遍采用激光打印機(jī)，從而使分析報告和圖形日趨完善。20世紀(jì)90年代后，運(yùn)用大規(guī)模集成電路、大容量固態(tài)數(shù)碼記錄等全新技使信號采集與數(shù)據(jù)分析質(zhì)量方面得到極大改進(jìn)，尤其是電子介質(zhì)存儲器的發(fā)展，已多采用閃光卡、電子硬盤，具有體積小、佩戴舒適、存儲量大、心波形保真度高等特點(diǎn)。近些年來，在心電信息處理方式方面由模擬式心電圖機(jī)向智能化心電圖機(jī)轉(zhuǎn)變，目前在臨床得到廣泛應(yīng)用的智能化心電圖機(jī)是一種隨身攜帶的記錄儀，可連續(xù)檢測人體24-72小時的心電變化。經(jīng)過50年的發(fā)展，動態(tài)心電圖儀已經(jīng)成為臨床上一種不可缺少的醫(yī)用電子儀器，它的主要價值在于發(fā)現(xiàn)并記錄在通常短暫心電圖檢查

16、是不易發(fā)現(xiàn)的、日常活動時發(fā)生的心圖異常，為臨床診斷提供依據(jù)。其具有以下特點(diǎn):1、可隨身攜帶，不受檢測距離、體位變化及活動的影響。2、信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)心電圖，尤其對短暫性心律失常的捕捉及一過性肌缺血的檢出有獨(dú)到之處。3、選擇導(dǎo)聯(lián)不能影響日常活動和防止由這種活動所產(chǎn)生的偽差和干擾。4、分析系統(tǒng)不僅可分析顯示監(jiān)測期內(nèi)心搏總數(shù)、最高心率、最低心率、平均心率和每小時平均心率，并能自動分析和測量每小時室上性、室性期前收縮，室上性和室性心動過速的次數(shù)、程度和形態(tài)以及持續(xù)時間，房室傳導(dǎo)阻滯、心臟停搏的情況及P-R間期、QRS波群、ST-T變化的軌跡圖、趨勢圖及全覽圖等，其結(jié)果可用不同方式輸出，為臨床提供有價

17、值的資料。目前，國內(nèi)外臨床應(yīng)用(yngyng)的主要是3導(dǎo)聯(lián)和12導(dǎo)聯(lián)心電圖儀。近年來，第5-6代3導(dǎo)聯(lián)心電儀和第2-3代12導(dǎo)聯(lián)心電儀，不僅硬件先進(jìn)，軟件設(shè)計合理，而且自動分析功能越來越強(qiáng)大、全面。除具有心率變異性、Q-T間期、Q-T離散度心室晚電位分析外，還具有T波分析、動態(tài)血壓同步檢測、心電監(jiān)護(hù)和起搏分析等功能。如Mortar公司的12導(dǎo)聯(lián)心電圖儀，ST段分析精確達(dá)到V級，獨(dú)有的ST與HRV相關(guān)分析與動態(tài)血壓同步測定(cdng)等，同時以人體工程學(xué)原理，用防彈衣材料制成樹枝狀“藤蔓(tn mn)式”12導(dǎo)聯(lián)線，軟件中房撲及房顫分析功能獲得FDA認(rèn)可；美國DMS公司的第二代高性能12聯(lián)心電

18、圖儀，除具有各種心律失常軟件外，獨(dú)有P波分析功能，12導(dǎo)聯(lián)ST段維彩色超視圖，率先在Q-T間期離散度分析上提出具有實(shí)用性很高的色譜理論、高性能起搏分析功能，將心率變異性的時域、頻率分析用于阻塞性睡呼吸暫停綜合征的篩選和診斷；美國Preideal Instrument公司生產(chǎn)的3通心電圖儀，能準(zhǔn)確地對起搏信號加以識別，并能分析各種心率失常、ST-T改。率變異性、Q-Td等。遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)利用了現(xiàn)代電子計算機(jī)及通信技術(shù)，在心律失常的檢測方法上彌補(bǔ)了常規(guī)心電圖與動態(tài)心電圖的不足，使得患者能夠和醫(yī)生及時溝通，及時得到醫(yī)生的健康指導(dǎo)。近年來國內(nèi)醫(yī)療儀器公司也紛紛轉(zhuǎn)向12導(dǎo)聯(lián)動態(tài)心電圖儀分為以下幾種類型：1

19、、國產(chǎn)化(自主研制開發(fā))12導(dǎo)聯(lián)AECG儀：西安藍(lán)港公司研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代3導(dǎo)聯(lián)心電圖以后，有心電圖儀，記錄器具有顯示屏，可以觀察心率失常及ST-T改變等情況。2、與著名國外廠家共同研制：美高儀公司和美國DMS導(dǎo)聯(lián)心電圖儀，具有透明視窗裝置，以液晶屏顯示動態(tài)心電警和錄取功能，即把動態(tài)心電圖與監(jiān)護(hù)心電圖有機(jī)的結(jié)合成顯示12個導(dǎo)聯(lián)的心電圖?？煞謩e顯示3個導(dǎo)聯(lián)的動態(tài)心電圖。3、經(jīng)銷國外名牌產(chǎn)品：這些產(chǎn)品都結(jié)合我國的國情，改和漢化處理，開發(fā)出中英文雙界面，為基層醫(yī)院提供了方便。4、進(jìn)口器件改進(jìn)儀器：長春時代數(shù)碼有限公司，首家推出SDD系列心電圖儀，使用windows2003，分析用1.5V

20、中央處理器、最新電子U盤記錄盒、USB2.0三大最新技術(shù)，僅用一節(jié)五號電池就能記錄48乃至72h心電圖。1.2 相關(guān)概念1.2.1 心電信號的基本特征1、微弱性：從人體體表檢出的心電信號很微弱，一般只有0.05-5mV。在測量中，對于如此微弱的信號，很難進(jìn)行直接觀察或記錄，必須通過放大器適當(dāng)?shù)姆糯蠛笤佥斀o顯示與記錄裝置。2、不穩(wěn)定性：人體心電信號處于動態(tài)變化之中。由于人體是一個與外界有密切關(guān)系的開放系統(tǒng)，加之內(nèi)部存在著器官間的相互影響，所以，無論來自外部或內(nèi)部的刺激，都會使人體因適應(yīng)這一變化，而從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)，從而使人體信號發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在對心電信號進(jìn)行測量、分析和處理時，

21、應(yīng)該注意到它是隨時間變化的信號，應(yīng)按其頻譜特性，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和顯示記錄裝置。3、低頻特性：人體(rnt)心電信號的頻譜范圍為0.05-100Hz，其頻率是比較低的。4、隨機(jī)性：人體心電信號是反映人體機(jī)能的信號，它是整個人體系統(tǒng)信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號表現(xiàn)出隨機(jī)性。不過，如果(rgu)對心臟自發(fā)放電的時間空間構(gòu)型進(jìn)行統(tǒng)計分析，就可以發(fā)現(xiàn)放電的內(nèi)在規(guī)律。因此，這種隨機(jī)現(xiàn)象服從統(tǒng)計規(guī)律。在心電信號的測量中，既要注意到它的隨機(jī)性，又不可忽視其內(nèi)在的規(guī)律性2。綜上所述，放大濾波部分的設(shè)計有如下(rxi)五點(diǎn)要求：（1）高增益由于人

22、體生理信號幅度非常小，為毫伏級。只有高增益才能使信號放大到便于分析的程度。通常選擇增益在60db（1000倍）120db（100萬倍）之間。（2）高輸入阻抗通過傳感器提取的生理信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減小信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗。信號源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，與傳感器的安放位置，傳感器本身的物理狀態(tài)都有密切關(guān)系。源阻抗的不穩(wěn)定性將使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而造成難以修正的測量誤差。再者，理論上源阻抗是信號頻率的函數(shù)，電極阻抗也是頻率函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。如果放大器輸入阻抗不夠高，就會造成信號低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生失真。用于生理信號電位

23、測量的放大器的輸入阻抗高達(dá)1M歐姆量級。（3）高共模抑制比由于生理參數(shù)測量放大器一般具有高增益和高輸入阻抗，因而各類干擾極易隨信號進(jìn)入放大器，尤其工頻（50Hz）干擾，因?yàn)檫@種信號正好落在呼吸信號的頻譜范圍內(nèi)。強(qiáng)的干擾與有用信號疊加在一起，使顯示與記錄的信號的基線變寬，影響信號的觀察與測量。為此放大器必須有較好的抗干擾能力。（4）低噪聲由于生物電信號十分微弱，因此要求生物電測量放大器具有低的內(nèi)部噪聲。一般采用低噪聲電阻和低噪聲放大器。儀器噪聲可用等效噪聲和信噪比來衡量。（5）低漂移由于生理信號為低頻信號，放大器一般采用直接耦合方式，則前一級放大電路的溫度漂移影響一級放大電路的工作點(diǎn)，導(dǎo)致后一級

24、進(jìn)入飽和而無法正常工作，所以要求用低漂移放大器。1.2.2 心電信號處理儀的生物學(xué)基礎(chǔ)心電信號是由心肌細(xì)胞產(chǎn)生的，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按照一定的途徑和時程，一次向心房和心室擴(kuò)布，引起整個心臟的循環(huán)興奮，其各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序和時間等均有一定的規(guī)律。由于人體為一個容積導(dǎo)體，這種電變化亦必然擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時間內(nèi)產(chǎn)生大量心電信號，因此可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖（ECG），其反應(yīng)了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化2。ECG波形由一個P波、一個QRS波群和一個T波組成，

25、P波起因于心房(xnfng)收縮之前的心房除極時的電位變化，QRS波群起因于心室收縮之前的心室除極時的電位變化，T波為心室復(fù)極時的電位變化，其幅度不應(yīng)低于同一導(dǎo)聯(lián)R波的1/10，T波異常表示心肌缺血或損傷。圖2-1為典型心電圖圖解3。 圖2-1 典型(dinxng)的心電圖圖解1.2.3 心電導(dǎo)(din do)聯(lián)所謂心電導(dǎo)聯(lián)就是心臟除極、復(fù)極過程中產(chǎn)生的心電向量，通過容積導(dǎo)電傳至身體各部，并產(chǎn)生電位差，將兩電極置于人體的任何兩點(diǎn)與心電圖機(jī)連接，就可描記出心電圖，這種放置電極并與心電圖機(jī)連接的線路，稱為心電導(dǎo)聯(lián)（lead）。臨床常用的導(dǎo)聯(lián)方式有肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)，肢體導(dǎo)聯(lián)又有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和加壓單極肢

26、體導(dǎo)聯(lián)之分。臨床中廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別記為、三個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，aVR、aVL、aVF三個加壓導(dǎo)聯(lián)以及V1-V6六個胸極導(dǎo)聯(lián)。其中、主要是反應(yīng)左手、右手以及左腿任兩電極間的電壓差，無探查電極和無關(guān)電極之分，是雙極導(dǎo)聯(lián)。雙極導(dǎo)聯(lián)就是拾取兩個測試點(diǎn)的電位差。aVR-V6是單極導(dǎo)聯(lián)，就是拾取某一點(diǎn)相對參考的電位。由一個無關(guān)電極和探查電極所組成，其P波明顯，利于診斷心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)廣泛地反映了心臟的大概情況，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往、導(dǎo)聯(lián)可以記錄到清晰的波形2。2虛擬儀器介紹2.1 概念(ginin)及特點(diǎn)隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)硬件技術(shù)、

27、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)(wnglu)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域的應(yīng)用，新的測量理論、新的測試方法、新的測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。低成本高性能的計算機(jī)技術(shù)引入儀器領(lǐng)域，數(shù)字化平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)，計算機(jī)處于核心地位，儀器開始朝著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展4。80年代末，美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱(jinchng)NI)研制成功第一臺虛擬儀器，最早提出了虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)的概念2。虛擬儀器是以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺，其

28、功能由用戶設(shè)計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。它的實(shí)質(zhì)是利用計算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)計算機(jī)儀器的控制面板， 以多種表達(dá)方式輸出檢測結(jié)果。使用者使用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，將計算機(jī)資源和通用儀器硬件(插入式數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)通信接口、GPIB接口卡、VXI控制接口卡及其它接口卡)與用于數(shù)據(jù)采樣、過程控制、數(shù)據(jù)分析處理及用戶圖形界面的計算機(jī)軟件有效地結(jié)合起來，就組成了虛擬儀器。虛擬儀器以特定的軟件取代相應(yīng)功能的電子線路，用計算機(jī)完成傳統(tǒng)儀器的部分乃至全部功能，是傳統(tǒng)儀器功能與外形的模塊化和軟件化。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的

29、模式。用戶借助通用的儀器硬件平臺，調(diào)用不同的測試軟件，就可以構(gòu)成不同功能的儀器。它的出現(xiàn)使測量儀器與計算機(jī)之間的界線消失，開始了測量儀器的新時代。傳統(tǒng)的測量儀器主要由三個功能塊組成：信號的采集與控制單元、信號的分析與處理單元、結(jié)果的表達(dá)與輸出單元。由于這些功能塊基本上是以硬件和固化的軟件形式存在，儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義制造，因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計復(fù)雜、靈活性差，沒有擺脫獨(dú)立使用，手動操作的模式，整個測試過程幾乎僅限于簡單的模仿人工測試的步驟，在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合下，使用起來很不方便。2.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器在通用計算機(jī)環(huán)境中，依托功能強(qiáng)大的處理單元和高速的數(shù)據(jù)總線，利用VC，V

30、B，LabVIEW等虛擬儀器軟件平臺，在屏幕上構(gòu)建與真實(shí)儀器類似的可視化軟面板，通過軟面板上的虛擬控件控制底層硬件，用功能強(qiáng)大的軟件完成信號的采集(實(shí)時或事后)、分析、顯示和存儲，并給出檢測結(jié)果。虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。由通用(tngyng)儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分組成4。一、虛擬儀器的硬件平臺構(gòu)成(guchng)虛擬儀器的硬件平臺有兩部分：1、計算機(jī)：一般(ybn)為一臺PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺的核心。2、I/O接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。可根據(jù)不同的總線采用不同的I/O接口硬件設(shè)備。I/O接口設(shè)備主要有五種方式：a、

31、PC總線一插卡型，指的是基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA(Industry Standard Architecture) Bus或PCI (Peripheral Component Interconnect)Bus等)的內(nèi)置功能插卡，即PC-DAQ (Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡。插卡式儀器價格最便宜，且個人計算機(jī)數(shù)量非常龐大，因此其用途廣泛，特別適于教學(xué)部門和各種實(shí)驗(yàn)室使用。本課題開發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)就屬于該類型，借助于插入計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件(如LabVIEW)相結(jié)合，完成測試任務(wù)，并通過A/D變換將模擬信號采集并輸入計算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示，并可通過D/A轉(zhuǎn)

32、換實(shí)現(xiàn)反饋控制。還可根據(jù)需要加入信號調(diào)理和實(shí)時DSP等硬件模塊。它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，但A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的好壞直接影響其測量精度。b、GPIB(General Purpose Interface Bus)通用總線接口，GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)早期的發(fā)展階段。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，適合于要求高精確度的場合，但不適宜進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸。c、VXI(VXIbus Extension for Instruement)VXI是高速計算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的電磁屏蔽是開放性儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。然而，組建VXI總線要

33、求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。d、PXI(PCI Extension for Instrument)是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。具有工業(yè)級的制造標(biāo)準(zhǔn)，更適應(yīng)苛刻的工作環(huán)境。e、遠(yuǎn)程總線數(shù)據(jù)接口(RS-232，USB，IEEE1394，Ethernet等)與前面幾種總線相比，它的接口簡單，使用方便。隨著數(shù)字化的發(fā)展，很多設(shè)備將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)行傳輸。這樣可以保證數(shù)據(jù)的精度不丟失，且不易受干擾。二、虛擬儀器的軟件平臺硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的軟件工具。目前已有多種虛擬儀器的軟件開發(fā)

34、工具， 比較常用的有：1、文本式編程語言：如基于傳統(tǒng)語言的C，Visual C+，Visual Basic， LabWindows/CVI等，采用大家比較熟悉的語言，擁有眾多函數(shù)和類庫，適應(yīng)面廣，開發(fā)靈活多變，可以自己開發(fā)驅(qū)動程序等。往往用來開發(fā)大型的、功能復(fù)雜的儀器軟件，但開發(fā)人員需有較多的編程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的調(diào)試能力。2、圖形化編程圖形組態(tài)軟件：如LabVIEW，HP-VEE等?？梢圆挥霉芾韮?nèi)基于虛擬儀器的傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)室部數(shù)據(jù)的分配等問題。擁有逼真的儀器面板元件，圖形化的常用模塊，智能化的數(shù)據(jù)連線，簡便易用、豐富多彩的函數(shù)庫和工具包。軟件通過建立和連接圖標(biāo)來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定

35、義其功能，具有編程效率高，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。適合對VC等大型開發(fā)軟件不熟悉的人員，軟件規(guī)模不很大的系統(tǒng)。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度(xind)的方便與良好的開發(fā)環(huán)境。2.3 Proteus簡介(jin ji)Proteus軟件是來自英國Labcenter Electronics公司的EDA工具軟件，Proteus軟件除了(ch le)其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖，PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的電路仿真是互動的，針對微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級的實(shí)時調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后

36、輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器，邏輯分析儀等，不需要別的，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境6。Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD，R

37、AM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等）。當(dāng)然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器是最好選擇。所以當(dāng)屬于所用元件沒有時，可以自主開發(fā)元器件。本設(shè)計采用匯編語言，并且在proteus中，可以直接加載WAVE軟件中經(jīng)過編譯形成的*.hex文件，進(jìn)行仿真，用示波器觀察輸出電壓波形。3 電子電路設(shè)計3.1 總體設(shè)計思路(sl) 因?yàn)槿梭w生理信號非常微弱，不便于直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所以要將這些信號進(jìn)行加強(qiáng)，這里主要用到了放大電路。其次，因?yàn)槭占降暮粑盘栔袚诫s有別的生理信號，會影響到目的信號的純度給分析帶來困難，所以要對

38、收集到的信號進(jìn)行濾波。使這些信號分別通過預(yù)先設(shè)計好的濾波器就可以達(dá)到此目的。由探測電極從體表采集(cij)的微弱心電信號經(jīng)過放大、濾波等前置處理后，直接送入信號采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫存于89C51單片機(jī)。整個系統(tǒng)主要由心電信號采集模塊，心電信號的放大、濾波電路(dinl)，數(shù)據(jù)的處理與存儲模塊及LCD顯示模塊組成。3.2 導(dǎo)聯(lián)方式采用肢體導(dǎo)聯(lián)中的、三個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅(qū)動電極。這種聯(lián)接方式有效實(shí)用，有利于便攜使用7。3.3 前置放大電路3.3.1 模塊分析主要由導(dǎo)聯(lián)信號拾取、前置放大電路、帶通濾波、工頻陷波四部分組成。從體表獲得

39、心電信號后，通過心電導(dǎo)聯(lián)輸入心電放大器。心電信號首先經(jīng)過前置放大器放大。然后又經(jīng)過濾波后。送入A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，供計算機(jī)分析處理。由于心電幅度只有mV量級，需要放大上千倍才能被觀察到，并且人體的內(nèi)阻比較大，因此一個高阻抗、高增益的放大器是準(zhǔn)確獲取心電信號的關(guān)鍵。放大級通常包括初級差分放大和運(yùn)放構(gòu)成的主放大級。由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定的電位差，因此第一級差分放大的增益不能太高，否則容易飽和。通常這一級增益選10左右。在第一級和第二級之間必須進(jìn)行直流隔離。第二級采用同相放大電路，增益可以高達(dá)100倍，這樣整個電路放大倍數(shù)可以達(dá)到1000倍。由于信號中混有

40、各種干擾噪聲會影響有用信號，因此需要對這些噪聲進(jìn)行濾波。噪聲來源主要有兩類，一類是各種電子設(shè)備輻射出的高頻噪聲，一種是市電的50Hz噪聲，通常情況下后者影響尤為明顯。該模塊結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。導(dǎo)聯(lián)信號拾取前置放大工頻陷波帶通濾波圖3-2 心電信號前置放大濾波電路結(jié)構(gòu)圖3.3.2 電路(dinl)實(shí)現(xiàn)它的第 = 1 * ROMAN I級是有兩個(lin )運(yùn)放A1和A2組成，信號由兩個同相輸入(shr)差分放大器，因而有很高的的輸入阻抗，可達(dá)10M以上；第 = 2 * ROMAN II級是由A3構(gòu)成的基本差分放大器，將差分輸入轉(zhuǎn)化成單端輸出。為了實(shí)現(xiàn)高性能的生物電放大器，前置放大級采用了差動輸入

41、的三運(yùn)放形式。如圖2-1所示，A1、A2組成同向并聯(lián)第一級放大，A3位差動放大8。此電路的特點(diǎn)：一、A1，A2成的第 = 1 * ROMAN I級電路因信號從同向側(cè)輸入能提高放大器的輸入阻抗；二、輸出回路不產(chǎn)生共模電流，電路的共模抑制能力只于A1、A2共模抑制比的匹配有關(guān)系，與外圍電路電阻是否匹配完全無關(guān)；三、采用對稱形式，有利于克服失調(diào)，溫漂的影響。傳遞放大級A3的接入，隔斷共模電壓在電路中的傳遞。四、傳遞放大級A3的接入，隔斷共模電壓在電路中的傳遞。差動放大級A3的共模抑制比主要取決于外圍電路電阻的匹配同相并聯(lián)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)可以較好地滿足上面三條要求。放大器的第 = 1 * ROMAN I級主

42、要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第 = 2 * ROMAN II級采用差動電路用以提高共模抑制比。 圖3-3 同相并聯(lián)型差分放大器的電路原理圖由上圖看到，放大器是由第一級兩個(lin )運(yùn)放A1和A2并聯(lián)，然后(rnhu)與第二級運(yùn)放A3串聯(lián)(chunlin)構(gòu)成的基本放大器。設(shè)輸入電壓為和，運(yùn)放A1和A2的輸出端電壓分別為和，運(yùn)放A3的輸出電壓為。由于理想運(yùn)放兩個輸入端“虛短”知： ； （3-1）對于第一級： ； ；=； =； （3-2）所以第一級差摸電壓放大倍數(shù)為： （3-3） 對于第二級：； （3-4）所以(suy)第二級差摸電壓放大倍數(shù)為：； （3-5）故前置放大電路(dinl)的電

43、壓放大倍數(shù)為： （3-6）要求(yoqi)差動增益約為1000，則可令： （3-7）可取R=20kohm,R=40kohm,R=1kohm,R=200kohm。(如圖3-3所示)這樣的電路有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：一、A1、A2提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比，因差模信號按差模增益比放大，遠(yuǎn)高于共模成分（噪聲）；二、決定增益的電阻（R1、R3）對共模抑制比沒有影響，因此電阻的容差不重要，R1、R3的失配僅使兩輸出端之間的差模增益失配，與共模抑制比相比，這一點(diǎn)并不重要。電路的另一個特點(diǎn)是對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近零。這個因素不僅與實(shí)際的共模輸入有關(guān)，而且也與A1和A2的失配電

44、壓和漂移有關(guān)。如果A1和A2有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級抑制。這樣對于A1和A2的漂移要求就會降低。A1和A2前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級A3的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。由此可知，上述電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高等優(yōu)點(diǎn)，可作為通用儀用放大器使用。3.3.3 儀用放大器實(shí)現(xiàn)前置級的設(shè)計參數(shù)主要由處在最前端的儀用放大器決定。一旦儀用放大器決定則前置級參數(shù)便基本確定。設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮儀用放大器的增益，一般來說共模抑制比隨增益增大而有所提高，但考慮到前置級對整個放大電路噪聲的貢獻(xiàn)，假設(shè)對

45、于多級放大器，若以N1、N2分別表示各級噪聲系數(shù)，以P1、P2表示各級的功率增益，則整個放大電路的噪聲系數(shù)N表示為 N=N1+ （3-8）放大器的噪聲性能一般隨第一級增益的提高而明顯變差，特別是集成器件噪聲性能一般比分立元件差。特別是集成器件噪聲性能一般比分立元件差。因此，第一級增益不宜取值過度，一般G20為宜。選用(xunyng)低功耗、低電壓的儀表放大器AD620作為前置放大器的核心器件，可滿足心電前置放大器高輸入阻抗、低噪聲、低漂移的設(shè)計要求。如圖3-4所示是其引腳分布圖。AD620具有高輸入電阻、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電流、低噪聲、低功耗、小體積等特點(diǎn)，另外其增益G的調(diào)節(jié)直接由一個

46、外部電阻控制要技術(shù)指標(biāo)如下9:圖3-4 AD620管腳圖低電源(dinyun)電流:50uA輸入(shr)失調(diào)電壓:125uV輸入失調(diào)電流:0.3nA輸入偏置電流:0.5nA最小共模抑制比:60dB(G=10)等效輸入噪聲電壓:9nV/等效輸入噪聲電流:0.1pA /高輸入電阻:10G功耗:最大650mW根據(jù)以上AD620的技術(shù)指標(biāo)，可得出結(jié)論，憑其優(yōu)異的性能,完全滿足心電放大器的設(shè)計要求。且其極小的體積，較小的功耗為整個監(jiān)護(hù)僅的體積和功耗的降低提供了可能.AD620的工作原理：AD620是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放組合方式改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。輸入三極管Q1和Q2提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)

47、部的超處理，它的輸入偏移電流比一般情況低10倍。通過Q1-A1-R1環(huán)路和Q2-A2-R2環(huán)路的反饋，保持了Q1，Q2集成極電流為常量，所以輸入電壓相當(dāng)于加在外接電阻Rg的兩端，從輸入到A1/A2輸出的差分放大倍數(shù)為： （3-9） 由A3組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與REF管腳電位有關(guān)的單路輸出。Rg的值還確定了前級運(yùn)放的跨導(dǎo)。當(dāng)Rg減小時，放大倍數(shù)增大，對輸入三極管的跨導(dǎo)漸漸地增大，這具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：放大倍數(shù)增加使得開環(huán)增益增大，因此減小了增益帶寬乘積增加，因此頻率響應(yīng)得到改善；主要由輸入三極管集成電極電流和基極電阻確定的輸入電壓噪聲減小到9nV/。內(nèi)部增益電阻(din

48、z)R1和R2被精確確定24.7k,使得運(yùn)放增益精確(jngqu)地由Rg確定 （310） 圖3-5 AD620結(jié)構(gòu)(jigu)簡圖AD620由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點(diǎn)，使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合。為達(dá)到心電放大器的要求，我們采用了差動輸入的方式，即將患者體表的電位差作為信號予以放大，如圖3-6所示11。圖3-6 心電放大前級原理圖1、輸入阻抗(sh r z kn)差動輸入電阻就是(jish)AD620的差動輸入電阻值，可達(dá)到10G,因此滿足(mnz)心電放大器的要求。2、低噪聲、低漂移根據(jù)儀表放大器AD620的參數(shù)

49、，可以得到結(jié)論，即低噪聲、低漂移。3、增益AD620的增益是通過外部的電阻Rg來調(diào)節(jié)的，可達(dá)到11000倍。增益的計算公式如（3-3）式所示。為了保證患者不受到可能的傷害并且保證前置放大器不工作在截止區(qū)，前置放大器的增益不能過大，因此我們設(shè)計了第一級的放大倍數(shù)不高于10倍。4、共模抑制比電路的共模抑制比主要由心電前級放大器決定，而AD620的60dB ( G=10)的共模抑制比十分符合我們的設(shè)計要求。為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比同時抑制50HZ工頻干擾，我們設(shè)計了激勵系統(tǒng)，如圖3-6所示，由TLC2254以及R1，R4，R6，R7和C1構(gòu)成。人體的共模電壓被兩個阻值相等的電阻R6，R7

50、檢測出，經(jīng)過TLC2254將其倒相、放大并反饋到人體上。這是個負(fù)反饋，其使共模電壓降低。人體的位移電流不流到地，而是流到運(yùn)放輸出電路。就心電放大器來說，這樣就減小了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。由于手頭沒有現(xiàn)成的AD620和芯片，本設(shè)計中暫不采用。AD620是一個很好的放大器，只要用一個外部電阻就可以進(jìn)行11000的放大倍數(shù)。不過它也是沿用了三運(yùn)放差分電路的特點(diǎn)來進(jìn)行信號的放大，再者三運(yùn)放差分電路運(yùn)用廣泛，得到的效果也不錯；而且用運(yùn)放741組成的三運(yùn)放差分電路具有典型性，簡單易懂，適合畢業(yè)設(shè)計，作為學(xué)生對741的了解也比較深刻，做起課題較容易入手。三運(yùn)放差分電路已經(jīng)有它的歷史，它也為以

51、后更深遠(yuǎn)的研究等做好了鋪墊。所以在選擇放大電路的時候運(yùn)用了三運(yùn)放差分電路來進(jìn)行信號的放大。3.4 濾波電路3.4.1 模塊分析濾波電路的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其他頻率信號通過。心電圖機(jī)所需檢測的心電信號幅值在0.054 mV，頻率在0.05100Hz。而檢測中存在的主要干擾信號有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場磁場電磁場的干擾等等。因此需要進(jìn)行一系列濾波。本電路采用了低通濾波和高通濾波把放大器的頻率相應(yīng)范圍限定在0.05100Hz之間。設(shè)定高頻是為了消除肌肉和電磁干擾噪聲，下限是為了減少由呼吸帶來的極限漂移。3.4.2 分塊電路(di

52、nl)實(shí)現(xiàn)（1）低通濾波器（如圖3-7所示）圖3-7 低通濾波器電路(dinl)令 低通濾波器的截止頻率為f=100z。則取 C=F=0.1F又 則 取 R=25kohm,R=10kohm又 電壓放大(fngd)倍數(shù)為:A= （3-11）取 R=R=10kohm則 差動增益為1。（2）高通濾波器只需將低通濾波器電路中的三個電阻改為電容，并且把兩個電容改為電阻可構(gòu)成高通濾波器電路（如圖3-8所示）。圖3-8 高通濾波器電路(dinl)令 高通濾波器的截止頻率為f=0.05z。則取 F=200F又 則 取 =25kohm,=10kohm又 電壓放大(fngd)倍數(shù)為A=1 （3-12）則 差動增益

53、(zngy)為1。（3）帶通濾波器：將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，就可得到帶通濾波器（如圖3-9所示）。 圖3-9 帶通濾波器電路(dinl)帶通濾波器電壓(diny)放大倍數(shù)為：A=A*A=1 （3-13）（4）陷波電路(dinl)工頻干擾是生理信號的主要干擾，當(dāng)然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但還是會有部分工頻干擾將以查模信號方式進(jìn)入電路，并且其頻率是處于心電信號的頻帶之內(nèi)，如果再加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前置電路輸出的心電信號將存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以應(yīng)該專門濾除。因此現(xiàn)代精密生物信號放大裝置中采用潛入陷波器地方法，消除市電電網(wǎng)電源信號的干擾或其他特定頻率信號的干擾13

54、。本系統(tǒng)所使用電路如圖3-10所示：圖3-10 陷波電路其效果如圖3-11所示：圖3-11 陷波電路(dinl)相頻特性從圖中可以看出，信號在50Hz處被很好地抑制了，濾波的效果非常理想，可以達(dá)到(d do)臨床實(shí)用的要求。3.4.3 放大濾波電路(dinl)整體效果圖綜合各模塊電路的設(shè)計，最終得到總體電路圖如圖3-10所示：圖3-12 心電信號調(diào)理電路總體圖三運(yùn)放及低通、高通濾波器效果如圖3-13所示：圖3-13 心電信號調(diào)理(tio l)電路效果圖從圖中可以看出(kn ch)，各模塊的實(shí)際濾波效果與理論值相符，可以達(dá)到預(yù)期效果。3.5 A/D轉(zhuǎn)換(zhunhun)模塊3.5.1 ADC08

55、09引腳功能本設(shè)計使用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有模擬量通道選擇開關(guān)及相應(yīng)的通道鎖存、譯碼電路，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由三態(tài)鎖存器輸出，由于片內(nèi)沒有時鐘需外接時鐘信號。下圖3-14為該芯片的引腳圖12。圖3-14 proteus中的ADC芯片引腳圖各引腳功能(gngnng)如下：IN0IN7：八路(b l)模擬信號輸入端。ADD-A、ADD-B、ADD-C：三位地址碼輸入端。八路(b l)模擬信號轉(zhuǎn)換選擇由這三個端口控制。CLOCK：外部時鐘輸入端（小于1MHz）。D0D7：數(shù)字量輸出端。OE：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出允許控制端。當(dāng)OE為高

56、電平時，允許A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果從D0D7端輸出。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。八路模擬通道地址由A、B、C輸入，在ALE信號有效時將該八路地址鎖存。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。當(dāng)START端輸入一個正脈沖時，將進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC輸出高電平。Vref(+)、Vref(-)：正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端?；鶞?zhǔn)正電壓的典型值為+5V。VCC和GND：芯片的電源端和地端。3.5.2 A/D轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)有12：一、分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量，也就是指使輸入數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓

57、的變化量。分辨率通常用能轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，分辨率越高。例如，對于8位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸入電壓滿刻度為5V時，其輸入數(shù)字量的變化范圍為0255，轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為5V/256=19.5 mV。二、轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是編程時必須考慮的參數(shù)。若CPU采用無條件傳送方式輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，則從啟動A/D芯片轉(zhuǎn)換開始，到A/D芯片轉(zhuǎn)換結(jié)束，需要一定的時間，此時間為延時等待時間。在編程時，實(shí)現(xiàn)延時等待的一段延時程序，要放在啟動轉(zhuǎn)換程序之后，此延時等待時間必須大于或等于A/D轉(zhuǎn)換時間。三、量

58、程量程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。四、精度精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值之間的差值。A/D轉(zhuǎn)換電路中與每一個數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入量并非是單一的數(shù)值，而是一個范圍。例如：對滿刻度輸入電壓為5V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，定義為數(shù)字量的最小有效位LSB。若理論上輸入模擬量A，產(chǎn)生數(shù)字量D，而實(shí)際輸入模擬量產(chǎn)生還是數(shù)字量D，則此轉(zhuǎn)換器的精度為。當(dāng)輸入模擬量為或還是產(chǎn)生同一數(shù)字量D，則其精度為。目前常用(chn yn)的A/D轉(zhuǎn)換器的精度為1/42LSB。3.5.3 MCS-51系列(xli)單片機(jī)與ADC0809接口ADC0809與8051單片機(jī)的接口(ji ku)電路如圖3-15所示12。圖3-15 ADC0809與8051單片機(jī)的接口電路電路連接主要涉及兩個問題：一是8路模擬信號通道選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。一、8路模擬通道選擇ADDA，ADDB，ADDC分別接地址鎖存器提供的低3位地址。只要把3位地址寫入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器，就實(shí)現(xiàn)了模擬通道選擇。圖中選用的是線選法，片選信號由P2.7確定，當(dāng)P2.7為低電平時對ADC0809進(jìn)行操作。RD和WR分別為讀選通和寫選通信號。二、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D