醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

第二章醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計一、概述：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)信號數(shù)字化的基礎(chǔ)

人體的各種物理量，如生物電位、心音、體溫、血壓、血流、肌電、腦電等，采用各種傳感器將其變成電信號。經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測及預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），變成適合于微處理機使用的數(shù)字量供系統(tǒng)處理。微處理器處理后的數(shù)據(jù)往往又需要使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）及適應(yīng)的接口將其變換成模擬量送出。

醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1)由多路開關(guān)、采樣/保持器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機等組成。數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過采樣、量化和編碼三個步驟。采樣過程由多路開關(guān)、采樣/保持器完成(如信號變化很慢，也可以不用采樣/保持器)。多路開關(guān)將各路信號輪流切換到輸入端。A/D轉(zhuǎn)換器將采樣信號量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量輸入到計算機中。傳感器傳感器傳感器多路開關(guān)放大器計算機A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器圖1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成二、模擬量輸入通道2.1、概述A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電流、時間等參量,但通常情況下，模擬量是指電壓參量。在A/D轉(zhuǎn)換的過程中通常要完成采樣、量化和編碼三個步驟。2.2采樣與保持待采樣的模擬信號是連續(xù)的，可看成無限多個瞬時值組成。A/D轉(zhuǎn)換是在連續(xù)變化的模擬量上按周期取樣的規(guī)律取出某一些瞬時值來代表這個模擬量，這個過程就是采樣。采樣是通過采樣保持電路實現(xiàn)的，采樣器（電子模擬開關(guān)）在控制脈沖s(t)的控制下，周期性地把隨時間連續(xù)變化的模擬信號f(t)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間上的離散的模擬信號fs(t)。ttf(t)f(t)fs（t)S（t)S（t)

采樣器輸入輸出波形

tfs（t)采樣保持器S/H的作用（SampleandHoldAmplifier）在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必需保持輸入信號不變，才能得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)要同時采集多個傳感器信號時，需一種電路將各傳感器同一時刻的信號保持住，然后通過共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換并送入內(nèi)存，這種電路就是采樣保持器。又簡稱S/H。組成：采樣保持器由輸入放大器N1，模擬開關(guān)S，保持電容C，輸出放大器N2等組成。如下圖所示：采樣保持器的組成及工作原理采樣期：當(dāng)控制信號使模擬開關(guān)S閉合時，輸入信號ui經(jīng)輸入放大器與保持電容相連，輸出電壓uo可隨輸入信號ui變化，電容上的電壓與輸入電壓相同。保持期：當(dāng)控制信號使模擬開關(guān)斷開時，電容只與放大器N2高阻輸入端相連，這可以保持模擬開關(guān)斷開前瞬間的輸入信號Vi的值不變，輸出放大器因此也可在相當(dāng)長時間保持一個恒定輸出值不變，直至模擬開關(guān)再次閉合。采樣保持器的工作原理由下圖可知,采樣脈沖的頻率ｆｓ(ｆｓ=1/Tｓ)越高,采樣越密,采樣值越多,采樣信號的包絡(luò)線越接近輸入信號的波形.雖然理論上采樣頻率越大越好,但也不能無限制的提高采樣頻率,因為每個采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量都需要一定時間,采樣頻率越高,轉(zhuǎn)換速度相應(yīng)也要求越快。對于正弦信號，假設(shè)輸入信號的最高頻率為ｆｍ,則根據(jù)采樣定理知:當(dāng)采樣頻率ｆｓ＞2ｆｍ時,采樣信號可正確反映輸入信號。關(guān)于采樣定理

如何知道輸入信號f(t)的頻率，特別是它的最高頻率fm？信號“最高頻率”指的是輸入信號經(jīng)頻譜分析后得到的有效分量的最高頻率?！盎謴?fù)”指的是樣品序列fS(t)通過截止頻率為fm的理想低通濾波器后，能得到的原始信號f(t)。在應(yīng)用中，一般取采樣頻率fS為最高頻率fm

的4～8倍。簡單模擬信號的頻譜范圍是已知的，如聲音為20Hz～20000Hz。復(fù)雜信號已知數(shù)學(xué)模型可用傅立葉變換算出，對于真實信號可用頻譜分析儀測得，也可用試驗的方法選取最合適的fS

，或根據(jù)最小時間周期確定。LF198，LF298，LF398是單片采樣保持器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳如下圖所示：常用采樣保持器芯片(1)LF198，LF298，LF398外部引腳內(nèi)部原理81)3為模擬量輸入端；2)5為模擬量輸出端；3)7，8分別為邏輯信號和邏輯參考電平端:(8為加高電平則采樣，加低電平則保持)；4)6為保持電容連接端，用以外接保持電容；5)2為調(diào)零端；6)1，4為電源，范圍為±5V-±18V。8(2)LF198，LF298，LF398主要性能:1)LF198，LF298，LF398具有采樣速度高，保持電壓下降速度慢，以及精度高等特點.2)其采樣時間小于6s時精度可達(dá)到0.01%，3)在保持電容為1F時，下降速率為5mV/min，4)作單位增益跟隨器工作時，直流增益精度為

0.002%，5)輸入阻抗為1010，與高阻抗信號相連也不會影響精度。(3)典型應(yīng)用如下圖所示：（8）引腳應(yīng)與微機的I/O接口連接，微機通過并行口控制,使采樣保持器8引腳高則采樣，低則保持。達(dá)到控制采樣保持器的目的。(7)引腳接地,(6)引腳接保持電容.(1,4)引腳為電源,(3)引腳接輸入信號,(5)引腳接輸出信號.如下圖所示為例：采樣保持器與微機的接口多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器8位輸入數(shù)據(jù)8位輸入的模擬量信號從多路開關(guān)AD7501輸入,在微機的控制下,選擇一路從OUT端進(jìn)入采樣保持器LF398的IN端采樣保持電容的選擇根據(jù)實際需要經(jīng)過綜合就可選擇電容量，一般在1000PF~1F之間。保持電容是采樣保持電路中的一個重要誤差來源，選擇時應(yīng)注意。采樣保持的主要性能指標(biāo)捕捉時間(ｔＡＣ)：從發(fā)出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定地跟蹤上輸入信號為止，所需的時間定義為捕捉時間2)關(guān)斷時間(ｔＡＰ＋ｔsT)

：從發(fā)出保持指令地時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定下來為止，所需的時間定義為關(guān)斷時間。捕捉時間長，電路的跟蹤特性差關(guān)斷時間長，電路的保持特性不好它們限制了電路的工作速度采樣保持的主要性能指標(biāo)2.3量化

所謂量化，就是以一定的量化單位把數(shù)值上連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值上離散的階躍量的過程。1/2X(t)5q4q3q2q

q0Y(t)

12345X(t)Y(t)量化裝置（a）ε+q/2－q/2X(t)（b）（c）

量化過程舍入誤差為量化誤差。以ε=x(t)-y(t)表示量化誤差，量化誤差有正有負(fù)（圖2-3(c)）,最大為±q/2，平均誤差為0。最大誤差隨量化單位而改變，q愈小ε也愈小。量化單位用q表示，對于模擬量小于一個q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常為了減少誤差采用“四舍五入”的方法使之整量化。這種量化方法的輸入輸出特性如圖所示，圖中虛線表示量化單位為0時的特性，實線表示實際特性。2.4編碼編碼是對量化數(shù)據(jù)的表述形式，往往涉及到A/D轉(zhuǎn)換的具體應(yīng)用。一般用二進(jìn)制數(shù)碼表示。若考慮為雙極性信號，可采用補碼方式；若強化二進(jìn)制數(shù)據(jù)的可靠性，可采用格雷碼。十進(jìn)制二進(jìn)制格雷碼0000000001000100012001000113001100104010001105010101116011001012.5A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1．分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率指轉(zhuǎn)換器能分辨最小模擬量的量化信號的能力。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，所以習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制數(shù)或BCD碼數(shù)的位數(shù)來表示。如ADC0809的分辨率為8位，即表示該轉(zhuǎn)換器可以用28（256）個二進(jìn)制數(shù)對輸入模擬量進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB（最低有效位值），若最大允許輸入電壓為10V，則可計算出它能分辨輸入模擬電壓的最小變化量1LSB=10÷256=39.06mV。2.轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度反映實際A/D轉(zhuǎn)換器與理想A/D轉(zhuǎn)換器量化值上的差。用絕對或相對誤差來表示（1）絕對精度指的是在A/D輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼，實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。（2）相對精度指的是A/D滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對應(yīng)的實際模擬輸入值與理論值之差與滿度值之比。3．轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器在每秒鐘內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。這個指標(biāo)也可以表述為轉(zhuǎn)換時間，即A/D轉(zhuǎn)換從啟動到結(jié)束所需的時間，兩者互為倒數(shù)。例如，某A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為500KHz，則其轉(zhuǎn)換時間是200s。

4.滿刻度范圍

滿刻度范圍是指A/D所允許輸入電壓范圍。如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。滿刻度只是個名義值，實際的A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入值總比滿刻度小1/2n

（n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)）。這是因為0值也是2n個轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的一個。例如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿刻度值為11111111

1111（b）,如果對應(yīng)0～10V輸入，實際允許的最大輸入電壓值為:

10-10*1/212=9.9976（V）2.6A/D轉(zhuǎn)換器

常用的有逐次逼近式、積分式、并行式等三類。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時間一般在1～100s之間，轉(zhuǎn)換精度一般在0.1%（8～12位）上下，適用于一般場合。積分式A/D轉(zhuǎn)換器速度較慢，其轉(zhuǎn)換時間一般在ms級。適用于要求精度高，但轉(zhuǎn)換速度較慢的儀器中使用。并行式又稱閃爍式，采用并行比較，因而轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到很高，其轉(zhuǎn)換時間可達(dá)ns級，可用于醫(yī)學(xué)圖象處理等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中。2.6.1逐次逼近式ADC

N位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，由N位寄存器、N位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、邏輯控制電路、輸出緩沖器等五部分組成。邏輯控制N位存儲器輸出緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器-+比較器時鐘啟動EOCOEUxUoURDo~DN-1逐次逼近式ADC工作原理：啟動信號作用后，時鐘信號先通過邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1，以下各位為0，這個二進(jìn)制代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U0（此時為全量程電壓的一半）送到比較器與輸入模擬電壓UX比較。若UX>U0，則保留這一位；若UX<U0，則DN-1置位為0。逐次逼近式ＡＤＣ逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器芯片目前，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器大都做成單片集成電路的形式，使用時只需發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，然后在EOC端查知A/D轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，取出數(shù)據(jù)即可。這類芯片有ADC0809、ADC1210、ADC7574、AD574、TLC549、MAX1241等是應(yīng)用得最多的A/D轉(zhuǎn)換器類型。

ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它能分時地對8路模擬量信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，它由三大部分組成：第一部分是:8路輸入模擬通道選擇電路；第二部分是:一個逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；第三部分是:三態(tài)輸出緩沖鎖存器。1、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809

ADC0809原理結(jié)構(gòu)圖

圖2-5ADC0809原理結(jié)構(gòu)圖

8路輸入模擬量選擇電路8路輸入模擬量選擇電路：8路輸入模擬量信號分別接到IN0到IN7端，究竟選通哪一路去進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換由地址鎖存器與譯碼器電路控制，見表2-1所示。A，B，C為輸入地址選擇線，地址信息由ALE的上升沿打入地址鎖存器。ALECBA接通信號111111110000001010011100101110111

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通表2-1ADC0809真值表

ADC0809管腳功能START為啟動信號，要求輸入正脈沖信號，在上升沿復(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器，在下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，“0”表示正在轉(zhuǎn)換，“1”表示一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。CLOCK為外部時鐘輸入信號，時鐘頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，ADC0809每一通道的轉(zhuǎn)換約需（66～73）個時鐘周期，當(dāng)時鐘頻率取640KHz時，轉(zhuǎn)換一次約需100s時間，這是ADC0809所能允許的最短轉(zhuǎn)換時間。ADC0809管腳功能EOC信號：A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束，EOC信號由低變高，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)打入三態(tài)輸出緩沖鎖存器。OE為輸出允許信號，當(dāng)單片機向OE端輸入一個高電平時，三態(tài)門電路被選通，這時便可讀取結(jié)果。否則緩沖鎖存器輸出為高阻態(tài)。ADC0809的時序圖見下圖。

穩(wěn)定時鐘ALE地址INxSTARTEOCOE輸出ADC0809時序圖穩(wěn)定ADC0809編程需注意的問題

在啟動ADC0809后，EOC約在10s后才變?yōu)榈碗娖剑蚨谟肧TART啟動0809轉(zhuǎn)換器后，不能立即通過檢測EOC來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，而應(yīng)等待約10s再檢測，否則會出現(xiàn)錯誤結(jié)果。編程時必須注意到這一點。ADC0809與單片機8031接口電路

ADC0809輸出帶有三態(tài)輸出緩沖鎖存器，因而不加I/O接口芯片，可以直接接到微機系統(tǒng)的總線上。ADC0809的時鐘信號（CLOCK）由8031的ALE端的輸出脈沖（其頻率為8031時鐘頻率的1/6）經(jīng)二分頻得到。8031由地址線P2.0和讀寫控制線啟動ADC0809的START、地址鎖存ALE和輸出允許OE信號。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC反相后連至8031的INT1（P3.3）。模擬輸入通道地址的譯碼輸入信號A，B，C由P0.0～P0.2提供。根據(jù)以上連接，ADC0809的地址為FEFFH。８０３１０８０９74LS373CDQQ>1>111+5ｖIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ALEP0INTRDP2.0WRAB0~7ABCD0～７EOCOEALESTARTVCCR+R-ＧＮＤＣＬＯＣＫＰ０.０～０.２ADC0809與單片機8031接口電路

A/D轉(zhuǎn)換常用的軟件控制方式

常用的控制方式主要有：程序查詢方式、延時等待方式和中斷方式。1．程序查詢方式微處理器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動信號后，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù)；否則再繼續(xù)查詢，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。這種方法消耗許多時間，因而效率低，但比較簡單，可靠性高。實際應(yīng)用還是比較普遍的。A/D轉(zhuǎn)換常用的軟件控制方式2．延時等待方式啟動A/D后，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（如ADC0809為100s）軟件延時等待，延時結(jié)束，讀入數(shù)據(jù)。這種方法可靠性高，不占查詢端口。3．中斷方式在中斷方式中，微處理器啟動A/D轉(zhuǎn)換后可轉(zhuǎn)去處理其他事情，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束便向微處理器發(fā)出中斷申請信號，微處理器響應(yīng)中斷后再來讀入數(shù)據(jù)。微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器并行工作，提高了工作效率。ADC0809與單片機8031接口實例以下結(jié)合圖2-7所示的ADC0809與單片機8031接口電路，給出查詢、延時和中斷這三種方式下的轉(zhuǎn)換程序。轉(zhuǎn)換程序的功能是將由IN0端輸入的0～5V模擬信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量00H～FFH，然后再存入8031內(nèi)部RAM的30H單元中。a.查詢方式

MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H

;賦通道0地址

MOVX@DPTR,A;啟動IN0轉(zhuǎn)換

MOV R2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延時,等待EOC變低WAIT:JB P3.3,WAIT;查詢,等待EOC變高

MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;結(jié)果存30Hb. 延時等待方式MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H;賦通道0地址

MOVX@DPTR,A;啟動IN0轉(zhuǎn)換

MOV R2,#40HWAIT:DJNZ R2,WAIT;延時約120uS MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;結(jié)果存30H

c.中斷方式

主程序：

MAIN: SETB IT1；選INT1為邊沿觸發(fā)

SETB EX1；允許INT1中斷

SETB EA；打開中斷

MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H

MOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換；執(zhí)行其他任務(wù)中斷服務(wù)程序INT1: PUSH DPL；保護(hù)現(xiàn)場

PUSH DPH PUSHA MOV DPTR,#0FEFFH MOVX A,@DPTR；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV 30H,A；結(jié)果存30H MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

；啟動下一次轉(zhuǎn)換

POP A POP DPH POP DPL；返回現(xiàn)場

RETI

；返回2、AD574芯片及其接口（擴展）

AD574是12位快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換時間為25s，轉(zhuǎn)換誤差為1LSB。AD574具有下述幾個基本特點：片內(nèi)含有電壓基準(zhǔn)和時鐘電路等，因而外圍電路較少；數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器，因而可直接與微處理器接口；模擬量輸入有單極性和雙極性兩種方式，接成單極性方式時，輸入電壓范圍為0～10V或0～20V，接成雙極性方式時，輸入電壓范圍為-5V～5V,-10V～10V。圖2-8AD574原理與引腳圖

AD574原理與主要引腳信號定義

CS：片選信號，低電平有效。CE：片使能信號，高電平有效。R/C：讀/啟動信號，高時讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，低時啟動A/D轉(zhuǎn)換。12/8：輸出數(shù)據(jù)長度控制信號，高為12位，低為8位。STS：工作狀態(tài)信號，高為正在轉(zhuǎn)換，低為轉(zhuǎn)換結(jié)束。A0：有兩種含義：當(dāng)R/C為低時，A0為高，啟動8位A/D轉(zhuǎn)換；A0為低，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)R/C為高時，A0為高，輸出低4位數(shù)據(jù)；A0為低，輸出高8位數(shù)據(jù)上述5個信號的組合所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)見表2-2所示。AD574原理與主要引腳信號定義表2-2AD574的操作AD574原理與主要引腳信號定義REFIN：基準(zhǔn)輸出線。（滿刻度調(diào)整）BIPOFF：單極性補償。（零點調(diào)整）DB11～DB0：12位數(shù)據(jù)線。10VIN，20VIN：模擬量輸入端。

AD574與8031單片機的接口電路

根據(jù)AD574各引腳的功能，8031單片機與AD574的接口電路可按如圖2-9所示電路來安排。由于8031的高8位地址P2.0~P2.7沒有使用，故可采用寄存器間接尋址方式。其中啟動A/D的地址為1FH；讀出低4位數(shù)地址為7FH；讀出高8位數(shù)地址為3FH。圖2-9AD574與8031單片機的接口電路AD574與8031單片機的接口電路圖中STS可有三種接法以對應(yīng)三種控制方式：(1)如STS空著，單片機只能采取延時等待方式，在啟動轉(zhuǎn)換后，延時25s以上時間，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；(2)如STS接單片機一條端口線，單片機就可以用查詢的方法等待STS為低后再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；(3)如STS接單片機外部中斷線，就可以在引起單片機中斷后，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用延時等待方式的控制程序清單：MOV R0，#1FH

；啟動MOVX @R0，AMOV R7，#10H ；延時DJNZ R7，$MOV R1，#7FH

；讀低4位MOVX A，@R1MOV R2，A ；存低4位MOV R1，#3FH

；讀高8位MOVX A，@R1 MOV R3，A ；存高8位SJMP $單極性模擬輸入方式接線的調(diào)整

單極性模入方式(圖2-9)中，10VIN輸入電壓范圍為0V～＋10V，1LSB對應(yīng)的模擬電壓為2.44mV；20VIN輸入電壓范圍為0V～20V，1LSB對應(yīng)的模擬電壓為4.88mV。R1用于零點調(diào)整，R2用于滿刻度校準(zhǔn)。方法為：如輸入電壓接10VIN端，調(diào)整R1，使輸入模擬電壓為1.22mV（即1／2LSB）時，輸出數(shù)字量從00000000

0000變到000000000001；調(diào)整R2，使得輸入電壓為9.9963V時，數(shù)字量從111111111110變到11111111

1111。雙極性模擬輸入方式的調(diào)整

對于雙極性模入方式，把REFIN，REFOUT，和BIPOFF三個引腳的接線按圖2-10重新安排，雙極性模入方式零點與滿刻度校準(zhǔn)方法與單極性方式近似。需要注意的是，輸入模擬量與輸出數(shù)字量之間的對應(yīng)關(guān)系為：10VIN端輸入時：－5V→0V→＋5V對應(yīng)000H→800H→FFFH20VIN端輸入時：－10V→0V→＋10V對應(yīng)000H→800H→FFFH圖2-10AD574雙極性模擬輸入接線方式

2.6.2積分式ADC大多用于低速、廉價的積分型A／D轉(zhuǎn)換器中，幾乎無一例外地采用了十進(jìn)制編碼方式，每次輸出一位并行十進(jìn)制編碼，整個轉(zhuǎn)換結(jié)果分若干次輸出。這種低速、廉價但高精度、強抗干擾的集成A/D轉(zhuǎn)換器以其優(yōu)良的性能價格比被廣泛應(yīng)用于低速測量領(lǐng)域。

1．雙斜積分式ADC電路結(jié)構(gòu)

邏輯控制電路計數(shù)器主門A2A3-+-+c積分器比較器時鐘VoVrefs1-VrefGND-Vx-++跟隨器寄存譯碼RA1溢出脈沖雙斜積分型ADC

雙斜積分型ADC轉(zhuǎn)換原理示意圖：轉(zhuǎn)換結(jié)果：t0對Vx1積分Vx2對Vref反向積分積分器輸出Vo(t)固定時間T1=N1T0變化時間T2=N2T0Vom3）比較階段：計數(shù)器復(fù)零時溢出脈沖送入控制邏輯，使S1接通正基準(zhǔn)電壓Vref后從零開始正向計數(shù)，積分器進(jìn)行反向積分，輸出Vo線性下降，當(dāng)Vo過零時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)，假設(shè)計數(shù)器計到N2。1）準(zhǔn)備階段：開關(guān)S1接地，積分器清零Vo=0;

2）取樣階段：控制邏輯使開關(guān)S1接通-Vx(設(shè)-Vx為負(fù))，積分器充電，Vo過零時打開閘門，計數(shù)器開始從預(yù)置N1減法計數(shù)，計到零時，計數(shù)器溢出脈沖送控制邏輯結(jié)束該過程。2、雙斜積分式ADC轉(zhuǎn)換原理3、雙斜積分式特點-參考電壓Vref的精度和穩(wěn)定性對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精密基準(zhǔn)電壓源；-積分器的R、C元件對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響（單斜積分型ADC有影響），因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高;-對時鐘的精度要求不高；-轉(zhuǎn)換速度較低，常用于高精度慢速測量的場合;-分辨力受比較器的分辨力和帶寬限制（改進(jìn)型的三斜積分型ADC）?？垢蓴_。1．三位半雙積分ADCMC14433

MC14433是具備零漂補償和采用CMOS工藝制造的3位單片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，最大輸出數(shù)碼1999，具有功耗低、輸入阻抗高和自動調(diào)零、自動極性轉(zhuǎn)換功能。其轉(zhuǎn)換精度為±1LSB，輸入電阻大于100M,對應(yīng)時鐘頻率范圍為50～150kHz，轉(zhuǎn)換速度為每秒3～10次。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能如圖2-15所示:圖2-15MC14433ADC結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能

MC14433采用土5V供電電源，只需一個正基準(zhǔn)電壓VR

，其與輸入電壓Vi成下列比例關(guān)系：輸出讀數(shù)=1999（2-1）當(dāng)滿量程時Vi=VR

。Vi輸入有2V和200mV兩個量程擋。當(dāng)滿度電壓為1．999V時，VR取2．000V；當(dāng)滿度電壓為199．9mV時，VR取200．0mV。 當(dāng)然，也可根據(jù)需要在200mV～2V之間任意選擇VR的值，此時，讀數(shù)的一個LSB所對應(yīng)的輸入電壓則需通過式2-1求得。MC14433輸出時序

MC14433由內(nèi)部電路自動控制轉(zhuǎn)換,無需外加啟動信號，輸出數(shù)據(jù)通過Q3～Q1輸出端，逐位輸出BCD碼，并不斷重復(fù)。并通過DS1～DS4指明現(xiàn)行輸出BCD碼是十進(jìn)制位中的哪一位。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，在EOC端輸出一正脈沖，寬度為一個時鐘周期。輸出數(shù)據(jù)更新需通過DV端的正跳變信號實現(xiàn)，通常將EOC與其短接。其整個輸出時序如圖2-16所示。在千位輸出時，攜帶輸出極性及超量程信息，如表2-4所示圖2-16MC14433輸出時序MC14433千位編碼定義

表2-4MC14433千位編碼定義

MC14433ADC與8031／51接口

MC14433輸出不具有三態(tài)緩沖，故必須通過接口方可掛接于微機總線。對于8031／51單片機而言，最簡接的方法是直接與其I/O端口相連。因MC14433為低速ADC，所以宜采用中斷方式接口。圖2-17給出了其與8031/51的接口電路。

圖2-17MC14433ADC與

8031/51的接口

圖2-18數(shù)據(jù)格式

接口使用P1口高4位輸入BCD碼，低4位輸入位選信號DS1～DS4。

EOC的下跳沿觸發(fā)中斷。

2.6.3并行或特高速ADC在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，如圖像處理、頻譜分析等，雙積分式和逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度都不能滿足要求。并行型A／D轉(zhuǎn)換器的速度高，它將輸入模擬電壓Vi與一系列標(biāo)準(zhǔn)電壓同時進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果經(jīng)過編碼后得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)。1、并行或特高速ADC原理

3位二進(jìn)制并行型A／D轉(zhuǎn)換器(圖2-19)由標(biāo)準(zhǔn)電壓源經(jīng)電阻分壓后得到m（m＝2n-1）個標(biāo)準(zhǔn)電壓（n是轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制數(shù)位數(shù)）;每一個分壓后的標(biāo)準(zhǔn)電壓與輸入模擬電壓Vi同時（并行）進(jìn)行比較，若輸入模擬電壓大于標(biāo)準(zhǔn)電壓，則相應(yīng)的比較器輸出為“真”（即為“1”），反之為“假”（即“0”）；經(jīng)數(shù)字編碼后，輸出即為等效于輸入模擬量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。一個n位二進(jìn)制并行型A／D轉(zhuǎn)換器需要m（m＝2n-1）個比較器。圖2-19并行型A／D轉(zhuǎn)換器原理圖

幾點說明：

①由圖可知，并行型A/D轉(zhuǎn)換器的精度取決于幾個因素：分壓電阻精度要高，主要是一致性要好；比較器的靈敏度要能鑒別兩個相鄰標(biāo)準(zhǔn)電壓；標(biāo)準(zhǔn)電壓源VR的精度也有一定的要求。②并行ADC的速度主要取決于比較器的響應(yīng)速度及數(shù)據(jù)寄存器（D觸發(fā)器）的響應(yīng)時間。對于8位A/D，轉(zhuǎn)換速率可高達(dá)100MHz。③n位并行型ADC轉(zhuǎn)換器需要（2n－1）個比較器，成本相當(dāng)昂貴。2.7、模擬多路開關(guān)及接口

多路開關(guān):把模擬信號分時地送入A/D轉(zhuǎn)換器,完成多到一的轉(zhuǎn)換。多路分配器:將經(jīng)計算機處理的數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號,按一定的順序輸出到不同的控制回路中去,完成一到多的轉(zhuǎn)換。

CD4051(雙向8路),圖2-32,真值表2-5；電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)CMOS到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換；數(shù)字量:3~20V,模擬量:峰值達(dá)20V；改變IN/OUT及OUT/IN的傳遞方向,可用作多路開關(guān)和多路分配器。圖2-32CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表2-5CD4051真值表

圖2-33CD4051多路開關(guān)組成的16路模擬開關(guān)原理圖

三、模擬量輸出通道

模擬量輸出通道的作用是將經(jīng)智能化醫(yī)學(xué)儀器處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量送出，它是許多智能設(shè)備的重要組成部分。模擬量輸出通道一般由D／A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、采樣／保持器等組成。本節(jié)側(cè)重討論D／A轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口。3.1D／A轉(zhuǎn)換器概述D/A轉(zhuǎn)換器原理D／A轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)及基準(zhǔn)電源等部分組成，目前基本都已集成于一塊芯片上。為了便于接口，有些D／A芯片內(nèi)還含有鎖存器。

如圖所示為ＤＡＣ的典型框圖，它包括n個一組的鎖存器，它們用來保持待轉(zhuǎn)換成模擬電壓電平的二進(jìn)制數(shù)字。每個鎖存器的輸出控制一個晶體管開關(guān)，該開關(guān)與電阻網(wǎng)路中特定的電阻相連。連接到電阻網(wǎng)路上的精密電壓基準(zhǔn)控制輸出電壓的范圍。輸出運算放大器具有求和作用，它將同時啟動的多個開關(guān)的結(jié)果相加。圖3.1D/A轉(zhuǎn)換器框圖一般轉(zhuǎn)換器需要n+1個電阻，并且網(wǎng)絡(luò)電阻必須比反饋電阻大2ｎ倍。做成集成電路一個部件可以制造的實際的電阻Ｒ值為5ｋΩ。因此，一個8位的ＤＡＣ需要9個電阻，范圍從5ｋΩ到128ＭΩ(256×5ｋΩ)。12位的ＤＡＣ需要13個電阻，最大的2048ＭΩ，這是很不實際的。由于在芯片上可用的空間(實際可用面積)是有限的，用集成電路工藝是無法得到這樣的數(shù)值的。基本的DAC設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換原理工作原理:IO1IO+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di為1,

Si與運放的反相輸入端連接

uo

=-IO1

RFdi為0,Si與地連接++-AuoRFD/A轉(zhuǎn)換原理（T形解碼網(wǎng)絡(luò)）倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00′11′22′33′RRRRIR=

UR/RI3=

IR21

=21URRI2=

IR41

=22URRI1=

IR81

=23URRI0=

IR161

=24URRIO1IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I0(di等于1或0)++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I0I1I2I3I0=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24-URRFRUO1=-IO1·RF=-

（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR若為n位二進(jìn)制數(shù)，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nURRFR若RF=R，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）

2nUR即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)的大小，實現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換3.2、D/A轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)

有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。（1）分辨率如十位DAC分辨率：210-11=10231（2）偏移誤差它是指輸入數(shù)字量為0時，輸出模擬量對0的偏移值（3）線性度是指D/A轉(zhuǎn)換器的實際轉(zhuǎn)移特性與理想直線之間的最大誤差或最大偏移(4)轉(zhuǎn)換精度：在整個工作區(qū)間實際的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差.(5)轉(zhuǎn)換時間：通常為幾十個納秒.(6)尖峰誤差：指輸入代碼發(fā)生變化時刻,使輸出模擬量產(chǎn)生的尖峰所造成的誤差.D/A轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)3.3、D／A轉(zhuǎn)換電路輸入與輸出形式D/A數(shù)字量輸入端可以分為：1.不含數(shù)據(jù)鎖存器(需外加數(shù)據(jù)鎖存器).2.含單個數(shù)據(jù)鎖存器.3.含雙個數(shù)據(jù)鎖存器(用于多個D/A同時轉(zhuǎn)換的場合).D/A的輸出電路分為:1.單極性電路 圖2-222.雙極性電路 圖2-23UOUT=-（VREF/28）DUOUT=-（2U1+VREF）U1:0~-5V3.4 D/A轉(zhuǎn)換器與微機接口

8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832及其與微機接口

八位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832及其與微機接口內(nèi)部含有雙輸入數(shù)據(jù)鎖存器的8位D/A器件（圖2-24）。 1、單緩沖接口電路2、單緩沖接口電路編程程序:MOVDPTR,#0FEFFH MOV A,#DATA MOVX @DPTR,A3、雙緩沖接口的程序MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,R2 MOVX @DPTR,A ;數(shù)據(jù)送1#0832輸入寄存器

MOV DPTR,#0FDFFH MOV A,R3 MOVX @DPTR,A;另一數(shù)據(jù)送2#0832輸入寄存器

MOV DPTR,#0FBFFH MOVX @DPTR,A ;1#、2#D/A轉(zhuǎn)換器同時輸出3.6D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例

1、鋸齒波的產(chǎn)生（0832單輸出）

MOVDPTR,#0FEFFH MOVA,#00HLOOP:MOVX@DPTR,A INC A MOVR0,#DATR DJNZR0,$ SJMPLOOP圖2-28連續(xù)鋸齒波形圖

2、任意波形的產(chǎn)生可采用事先存儲數(shù)據(jù)然后順序輸出的方法來實現(xiàn)。雙極性輸出,將360°分為256個點,每2點間隔約為1.4°。然后計算每個點的電壓所對應(yīng)的數(shù)字量，并列成表格編入程序中（圖2-29、圖2-30）。圖2-29DAC0832雙極性輸出形式的接口電路

圖2-30正弦波計算制表示意圖

具體輸出程序段如下：

MOV R5，＃00H ；計數(shù)器賦初值SIN： MOVA，R5 MOV DPTR，#TABH MOVCA，＠A＋DPTR ；查表得輸出值

MOVDPTR，＃7FFFH ；指向0832 MOVX ＠DPTR，A ；轉(zhuǎn)換

INC R5 ；計數(shù)器加一

AJMP SINTAB：DB80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96HDB99H,9CH,9FH,A2H,A5H,A8H,ABH,AEHDBB1H,B4H,B7H,BAH,BCH,BFH,C2H,C5H DBC7H,CAH,CCH,CFH,D1H,D4H,D6H,D8H DBDAH,DDH,DFH,E1H,E3H,E5H,E7H,E9H ……3.5、12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208與微機接口

雙緩沖,12位D/A器件.第一級