课件：医学信号采集系统.ppt

2.2.2 ADC芯片的分类及原理,A/D转换器的分类,以高精度、高分辨率和低转换速度为其特点。在些有强电干扰，而信号变化极其缓慢的应用场合,Principle,1）积分式ADC,A,B,N,A/D转换器的分类,触发时刻t1开始到计数器计满发出溢出脉冲的时刻t2为止， 这段时间T1称为采样阶段。T1等于Tcp*Nmax是定值。 这时积分运算放大器的输出电压U为：,t2时刻，转换器进入比较阶段。到输出Uo降到零的时刻t3， 通过控制逻辑电路将计数器关闭。这一段时间为t3t2Tx 此时积分器输出电压为零，即：,A/D转换器的分类,易于获得较高的转换速度、高分辨率及较高的 精度，也易于和微机接口 。比较常用,2）逐次比较式ADC,Principle,A/D转换器的分类,当未知电压Ux接入后，由CPU给出START1信号启动AD转换，随即芯片输出/BUSY信号，表示ADC正在转换。ADC转换时先使高位数字DN-11，经片内的数模转换环节转换成对应一个整量程一半的权值基准电压Uc，与输入电压Ux相比较：若UxUc，则保留此位；若UxUc，则此位清零。然后令下一位数字为1，即DN-21，与上一次结果一起经DAC后转换成Uc，与Ux相比较，重复进行二进制各位的搜索比较，直到最后确定最低位D0后，给出状态面/BUSY“1”，并允许转换的信号数字输出。逐次比较式ADC经过移位寄存器后容易获得串行数字输出。,A/D转换器的分类,3）快速ADC,快速ADC分为两种：并行比较型ADC、串-并行比较型ADC,A/D转换器的分类,并行比较型ADC是利用2n1个电压比较器，使输入电压同时与2n1个参考电压进行比较，其中n为二进制的位数。如n8，则需要255个参考电压和比较器，同时与对应Ux比较，再经过译码输出。下图表示一个n3的并行比较型ADC的原理电路图。被测电压Ux接在7个比较器的“+”端，而参考电压按二进制比例分出了7级，用分压器分别接入7个比较器的“”端。若Ux大于被比较的参考电压，比较器输出电平“1”；若Ux低于被比较的参考电压，则输出电平“0”。7路信号输出经寄存器送到二进制译码电路的输出端形成与Ux对应的三位二进制代码。,被转换的电压Ux一方面加到高3位并行比较型ADC的输入端，产生高3位的数字输出，再经3位DAC转换为模拟电压Ux，另外输人模拟电压Ux经模拟延迟得U”x，其延迟时间与高3位转换时间相等。Ux与U”x同时加到运算放大器的输入端，其输出电压为U”xUx，然后将其差值通过低位并行ADC转换出低3位的数字，存人输出数字锁存器，就可以获得6位分辨率的数字输出。,2.1.3 仪器设计时A/D转换器的选取,在信号的变化范围内，不能因AD转换器分辨率过低造成测量“死区”。如信号|x(t)|的最大值为Xmax，最小值为Xmin，对舍入量化来说，必须满足 q/2 X min,在设计微机化仪器时，正确选用AD转换器的关键，在于合理选择其字长、变换速度及确定采样保持器是否必要。,Example,AD转换器的字长直接影响量化精度,2.3 各种AD转换芯片及其接口,2.3.1 双积分式AD芯片及其接口,1.微处理机控制双积分式A/D转换器,双积分式A/D转换器与微处理器的接口有两种方法：第一种方法是采用微处理器直接实现对双积分式A/D转换器全部转换过程的控制；第二种方法是采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式A/D转换器芯片，其接口的任务主要是在双积分A/D转换结束之后读取结果,微处理器控制双积分式 A/D转换器的原理图,控制流程框图,2. MC14433 A/D芯片及其接口,双积分式A/D转换器与微处理器的接口有两种方法：第一种方法是采用微处理器直接实现对双积分式A/D转换器全部转换过程的控制；第二种方法是采用含有逻辑控制电路的单片式双积分式A/D转换器芯片，其接口的任务主要是在双积分A/D转换结束之后读取结果,MC14433转换结果以BCD码形式，分时按千、百、十、个位由Q0Q3端送去，相应的位选通信号由DS1DS4提供。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，相邻选通脉冲之间的间隔为2个时钟脉冲，其输出时序如下图所示。,在DS2，DS3，DS4选通期间，Q0Q3分时输出三个完整的BCD码数，分别代表百位、十位、个位的信息。但在DS1选通期间，输出端Q3Q0除表示千位信息外，还有超欠量程和极性标志信号，具体规定为：Q3表示千位数，低电平“0”表示千位为1，高电平“1”表示千位为0；Q2代表被测电压的极性，“1”表示正，“0”表示负；Q0为超欠量程标志，“1”表示超或欠量程，其中Q3为1时为欠量程，Q3为0时为超量程。,阶段1：模拟调零阶段 阶段2：数字调零阶段 阶段3：第二次模拟调零 阶段4：对被测电压Ui积分阶段 阶段5：对比较器的失调电压进行补偿 阶段6：对基准电压UR积分阶段,阶段1：模拟调零阶段,MC14433 内部转换电路中的模拟开关S1-1，S1-2，S1-3，S1-4和S1-5闭合，其余模拟开关都断开。由图可见，在这个阶段A1和A2都接成全负反馈形式，因而A1和A2两者的失调电压都存储在电容C0上。这个阶段占用的时间为4000个时钟脉冲。,阶段2：数字调零阶段,模拟部分的开关S2-1，S2-2，S2-3和S1-5闭合，其余开关断开。本电路设计时令比较器两输入端不对称，即输入端之间有一设定的失调电压UOS3。因此，当比较器的反相端输入为零电平时，其输出为低电平。在这个阶段，模拟部分的输入端加有基准电压UR，因而积分器的输出将负向斜变，当达到UOS值时，比较器翻转，输出高电平。在此阶段计数器记录下的时钟数被锁存在锁存器中，其值由失调电压UOS决定。,阶段3：第二次模拟调零,过程类似阶段1,阶段4：对被测电压Ui积分阶段,由于MC14433器件只用单一的正基准源，对于不同的输入电压极性，模拟部分的等效电路略有不同。 当Ui0时，模拟开关S4-1，S2-2，S2-3和S4-2闭合。在积分器的反相输入端和地之间加入的是存在C0上的失调电压及A1的失调电压，因而消除了A1，A2失调电压的影响。由于被测电压Ui由积分器的同相输入端输入，这就保证了积分器输出仍正向斜变，从而实现用单一基准源测量正、负极性电压的目的。由于在阶段4开始时，积分器的同相输入端从原来的接地状态变为接入+Ui，因此积分器输出跳变一个+Ui值。,阶段5：对比较器的失调电压进行补偿,此时模拟开关S2-1，S2-2，S2-3和S1-5闭合。此阶段中，积分器开始负向斜变（如果Ui0，由于积分器的同相端由原来接入+Ui变为接地状态，因此输出电压跳变一个-Ui值），同时计数器开始计数。当计数值和阶段2寄存在锁存器的值相同时的瞬间，由控制逻辑电路发出信号使计数器清零。本阶段的作用是扣除比较器的失调电压UOS3,阶段6：对基准电压UR积分阶段,积分电容C1上原来充有的电压按一定的斜率继续放电，直至达到UOS3使比较器翻转时为止。比较器的翻转经控制逻辑将十进制计数器的状态置入锁存器并经多路开关输出，这个阶段所需时间仅取决于输入电压Ui的数值，最多占用4000个脉冲。,以上分析可以看出，MC14433一次A/D转换时间约需16400个时钟脉冲，若时钟脉冲的频率f0=66 kHz，则一次转换所需的时间为T=N / f0 =0.25s。,下图为MC14433与8031接口电路简图。图中的MC14433所有外部连接器件，都已按规定要求接好，转换器的输出端直接连至8031的P1口，转换器的EOC信号反相后，作为中断申请信号送至8031端。由于EOC与DU相连，所以每次转换完毕都有相应的BCD码及相应的选通信号出现在Q0Q3及DS1DS4端。设置外部中断为边沿触发方式，要求将转换结果存储在2EH与2FH单元中，存储格式为：,主程序： INT：SETB IT1 ；选择INT1边沿触发方式 MOVC IE，#10000100B ；打开中断，INT1中断允许,2.3.2 逐次比较式A/D芯片及其接口,1. ADC0809芯片及其接口,ADC0809是8路逐次比较式A/D转换器，它能分时对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数据，其结构如图,下图为ADC0809的工作时序图。从图中可看出，在启动ADC0809后，EOC约在10 后才变为低电平，因而在用START启动0809转换器后，不能立即通过检测EOC来判断转换是否结束，而应等待约10 再检测，否则会出现错误结果,ADC0809输出带有三态输出锁存器，因而可以不加I/O接口芯片，直接接到微机的总线上，下图为ADC0809与单片机8031接口的一个典型电路。,根据A/D转换器与微处理器连接方式以及智能仪器要求的不同，实现A/D转换软件的方式有多种，目前常用的控制方式有：程序查询方式、延时等待方式和中断方式,结合上页图中所示的ADC0809与8031的接口电路，说明查询、等待定时和中断这三种方式下的转换程序。转换程序的功能是将由IN0端输入的模拟电压转换为对应的数字量，然后再存入8031内部RAM的30H单元中,a. 查询方式 MOV DPTR, #0FEF8H ；指出IN0通道地址 MOV A, #00H MOVX DPTR, A ；启动IN0通道转换 MOV R2, #20H DLY: DJNZ R2, DLY ；延时，等待EOC变低 WAIT: JB P3.3, WAIT ；查询，等待EOC变高 MOVX A, DPTR MOV 30H, A ；结果保存30H,b. 延时等待方式,c. 中断方式,例：晶振为12MHZ的80C51系统中，接有一片ADC0809，地址为0EFF8H0EFFFH.试画出有关逻辑框图，并编写定时采样0-3通道的程序。设采样频率为2ms/次，每个通道采50（32H)个数据，把所采样的数据按0，1，2，3通道的顺序存放在以3000H为首址的片外数据存储区中。,MOV R1, #50 MOV R5, #30H MOV R6, #00H EX10_9A: MOV R2, #04H MOV R3, #0EFH MOV R4, #0F8H EX10_9B: MOV DPH, R3 MOV DPL, R4 MOVX DPTR, A NOP JB INT1, $,MOVX A, DPTR INC R4 MOV DPH, R5 MOV DPL, R6 MOVX A, DPTR INC DPTR MOV R5, DPH MOV R6, DPL LCALL DLY_2MS DJNZ R2, EX10_9B DJNZ R1, EX10_9A LJMP $,2. AD574芯片及其接口,AD574是12位快速逐次比较式A/D转换器，其最快转换时间为25us，转换误差为1 LSB。 AD574具有下述几个基本特点：（1）片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；（2）数字量输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器接口；（3）模拟量输入有单极性和双极性两种方式。其中，单极性：0V10V或0V20V；双极性：5V5V或10V+10V。,AD574与8031单片机的一个接口电路。图中，8031的高8位地址P2.0P2.7没有使用，编程时可采用寄存器间接寻址方式。其中启动A/D的地址为1FH，读出低4位数地址为7FH，读出高8位数地址为3FH。,图中STS可有三种接法以对应三种控制方式：如果STS空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时25us以上时间，再读入A/D转换结果；如果STS接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待STS为低后再读入A/D转换结果；如果STS接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入A/D转换结果。下面以延时等待方式为例来进行编程控制。,对于双极性模拟输入方式，REF IN，REF OUT和BIP OFF三个引脚的连接方法如图所示：,2.4 高速数据采集与数据传输,在微型计算机数据采集装置的设计中存在着一个很重要的问题，即高速数据采集与数据传输速率之间的协调。这不仅与A/D转换器转换速率有关，还与A/D转换的控制方式以及数据传输方式相关。数据传输主要有程序控制的数据传输、DMA传输、基于数据缓存技术的高速数据传输等多种方式。,这种方式是指通过CPU执行程序来控制A/D转换与数据传输的方式，例如前几节讨论的查询方式、延时等待方式、中断方式等均属于这种方式。,1. 程序控制的数据传输方式,1）它必须建立一个指向缓冲区的存储器地址指针，并且每传输一个数据都要使地址指针加1； 2）它还必须确定所传输数据的字节数目，并以此作为测试是否需要终止传输循环的依据； 3）采用查询、延时等待或中断方式控制A/D转换的过程并 将转换的数据传输到微型计算机系统中。,若上例中的微型计算机系统采用IBM-PC机（或单片机系统），可以估算出，每传输一个字节数据需要长达10s左右的时间。,DMA方式即在DMA控制器控制下的直接存储器存取方式，在这种方式下，外设与内存之间的数据传输过程不再由CPU控制，而是在DMA控制器的控制和管理下进行直接传输，从而提高了传输速度。 例如在PC机系统中进行DMA传输时，CPU将让出对总线的控制权，而由DMA控制器暂时控制，其过程可用下图说明：,2. DMA控制的数据传输方式 （DMADirect Memory Access，直接内存存取 ）,在一般的高速数据采集系统中，微处理器控制的数据传输速率及有关数据处理的速度与前端A/D转换器的采集速度往往是不一致的，为了协调它们之间的工作，可以在两者之间加入数据缓存器进行缓冲，使前端采集数据与后级数据处理异步工作。 总之，在系统或模块之间，如果没有能够高速传输数据的接口，极易造成瓶颈堵塞现象，影响整个系统的处理能力。 目前采用比较多的数据缓存方式是：基于双口RAM的高速数据缓存方式和基于FIFO的高速数据缓存方式。,3. 基于高速数据缓存技术的数据传输方式,2.5 模拟量输出通道,2.5.1 DAC概述,D/A转换器的组成原理有多种，采用最多的是R-2R梯形网络D/A转换器，下图为一个4位D/A转换器的原理图。,D/A转换器的主要技术指数, 分辨率 转换精度 转换时间 尖峰误差,D/A转换电路输入/输出形式,D/A转换器的数字量输入端可以分为：不含数据锁存器；含单个数据锁存器； 含双数据锁存器三种情况,D/A转换器的输出电路有单极性和双极性之分。,2.5.2 DA转换器与MCU接口,8位D/A转换器DAC0832及其与微型计算机接口,上图为DAC0832与8031单片机连接成单缓冲方式的接口电路。它主要应用于只有一路模拟输出，或有几路模拟量输出但不需要同步的场合。此方式下，二级寄存器的控制信号并接，即将/WR1与/WR2同时与8031的/WR相接，/CS和/XFER相连接到P2.0 ，使DAC0832作为8031的一个外部I/O装置，口地址为FEFFH。这样，8031对它进行一次写操作，输入数据便在控制信号的作用下，直接打入0832内部的DAC寄存器中锁存，并由D/A转换成输出电压。其相应的程序如下：, MOV DPTR, # 0FEFFH ；给出0832的地址 MOV A, # DATA ；欲输出的数据装入A MOVX DPTR, A ；数据装入0832并启动D/A转换,按照图中连接，两片DAC0832输入寄存器的地址分别为FEFFH和FDFFH，两片0832的DAC寄存器地址都为FBFFH。设欲输出的数据置于R2，R3中，可编制相应的程序段如下： MOV DPTR, # 0FEFFH MOV A，R2 MOVX DPTR, A ；数据送10832输入寄存器 MOV DPTR, # 0FDFFH MOV A，R3 MOVX DPTR, A ；另一数据送20832输入寄存器 MOV DPTR, # 0FBFFH MOVX DPTR, A ；1、2D/A转换器同时输出,12位D/A转换器DAC1208及其与微型计算机接口,12位D/A转换器DAC1208及其与微型计算机接口,增加了一个字节控制信号端BYTE1/ BYTE2。当此端输入为高电平时，12位数字量同时送入输入寄存器；当此端输入为低电平时，只将12位数字中的低4位送到对应的4位输入寄存器中。其他控制信号，/CS，/WR2及/XFER与DAC0832的用法类同。,设有一个12位的待转换的数据存放在内容DATA及DATA+1单元中，其存放顺序为：（DATA）存高8位数据，（DATA+1）存低4位数据（存放在该单元的低半字节上）。则把这个数据送往D/A转换器的程序段为：,MOV DPTR, # 0FDFFH MOV A, DATA MOVX DPTR, A ；输出高8位数据 DEC DPH MOV A, DATA+1 MOVX DPTR, A ；输出低4位数据 MOV DPTR, # 7FFFH MOVX DPTR, AM ；12位数据同时送DAC寄存器,1）锯齿波的产生,D/A转换器应用举例,MOV DPTR, #0FEFFH ；给出DAC0832口地址 MOV A, # 00H LOOP: MOVX DPTR, A INC A MOV R0, # DATA ；改变DATA，用以延时 DJNZ R0, $ SJMP LOOP,2）任意波形的产生,实际应用中，可采用事先存储数据然后顺序输出的方法来实现，这种方法比运算法速度快且曲线形状修改灵活简便，下面以一个正弦信号的产生为例来说明实现的原理。 若要求产生有正负电压输出的正弦波，则要采用双极性输出形式的电路,MOV R5, # 00H ；计数器赋初值 SIN: MOV A，R5 MOV DPTR, # TABH MOVC A, A+DPTR ；查表得输出值 MOV DPTR, # 7FFFH ；指向0832 MOVX DPTR, A ；转换 INC R5 ；计数器加一 AJMP SIN TAB: DB 80H, 83H, 86H, 89H, 8DH, 90H,93H, 96H DB 99H, 9CH, 9FH, A2H, A5H, A8H, ABH, AEH DB B1H, B4H, B7H, BAH, BCH, BFH, C2H, C5H DB C7H, CAH, CCH, CFH, D1H, D4H, D6H, D8H DB DAH, DDH, DFH, E1H, E3H, E5H, E7H, E9H ,2.6 数据采集系统,数据采集系统简称DAS (D