医学信号数据采集系统设计 137页

1、数字化医疗仪器数字化医疗仪器l第二章第二章 医学信号医学信号数据采集系统设数据采集系统设计计数据采集系统是医学信号数字化的基础数据采集系统是医学信号数字化的基础 l 人体的各种物理量，如生物电位、心音、人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送模模/数转换器（数转换器（A/D），变成适

2、合于微处理机使），变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。用的数字量供系统处理。l 同样，微处理器处理后的数据往往又需要同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数使用数/模转换器（模转换器（D/A）及适应的接口将其变）及适应的接口将其变换成模拟量送出，如图换成模拟量送出，如图2-1所示。所示。 模拟量输入模拟量输入/ /输出通道示意输出通道示意A/D转换器及其接口统称为模拟量输入通道；转换器及其接口统称为模拟量输入通道；D/A转换器及相应接口称为模拟量输出通道。转换器及相应接口称为模拟量输出通道。 2.1 2.1 模拟量输入通道模拟量输入通道2.1.1 A/D2.1.1 A/D转换器概述转换

3、器概述l 一概述一概述l A/DA/D转换器是将模拟量转换为数字量的器转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电流、时间等参件，这个模拟量泛指电压、电流、时间等参量量, ,但通常情况下，模拟量是指电压参量。在但通常情况下，模拟量是指电压参量。在A/DA/D转换的过程中通常要完成转换的过程中通常要完成采样、量化和编采样、量化和编码码三个步骤。三个步骤。1 1 采样采样l 待采样的模拟信号是连续的，可看成无待采样的模拟信号是连续的，可看成无限多个瞬时值组成，而限多个瞬时值组成，而A/DA/D转换以及计算机转换以及计算机处理需要一定的时间，不可能把每一个瞬时处理需要一定的时间，不可能

4、把每一个瞬时值都转换成数字量。必须在连续变化的模拟值都转换成数字量。必须在连续变化的模拟量上按周期取样的规律取出某一些瞬时值来量上按周期取样的规律取出某一些瞬时值来代表这个模拟量，这个过程就是采样。代表这个模拟量，这个过程就是采样。l 采样是通过采样保持电路实现的，采样采样是通过采样保持电路实现的，采样器（电子模拟开关）在控制脉冲器（电子模拟开关）在控制脉冲s(t)s(t)的控制的控制下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号f(t)f(t)转变为时间上的离散的模拟信号转变为时间上的离散的模拟信号f fs s(t(t) )。l 仅在采样瞬间仅在采样瞬间允许输入

5、信号允许输入信号f(t)通过采样器，其它通过采样器，其它时间断开。采样器的输出时间断开。采样器的输出fS(t)是一串窄脉冲，脉冲的包是一串窄脉冲，脉冲的包络线是与输入信号相同的。络线是与输入信号相同的。图2-2 采样器输入输出波形 输出信号能否如实反映原始输入信号？输出信号能否如实反映原始输入信号？l 采样得的信号采样得的信号f fs s(t(t) )的值和原始输入信的值和原始输入信号号f(t)f(t)在相应的瞬时值相同，因此采样后的在相应的瞬时值相同，因此采样后的信号在量值上仍然是连续的。信号在量值上仍然是连续的。l 可以证明：当采样器的采样频率可以证明：当采样器的采样频率f fs s高于高

6、于或至少等于输入信号最高频率或至少等于输入信号最高频率f fm m的两倍时的两倍时（即（即f fs s 2f 2fm m时），采样输出信号时），采样输出信号f fs s(t(t) )（采（采样器脉冲序列）能代表或恢复成输入模拟信样器脉冲序列）能代表或恢复成输入模拟信号号f(t)f(t)，这就是，这就是采样定理采样定理。 如何知道输入信号如何知道输入信号f(t)f(t)的频率，特的频率，特别是它的最高频率别是它的最高频率fm fm ？l 信号信号“最高频率最高频率”指的是输入信号经频指的是输入信号经频谱分析后得到的最高频率分量。谱分析后得到的最高频率分量。“恢复恢复”指指的是样品序列的是样品序列

7、f fS S(t(t) )通过截止频率为通过截止频率为f fm m的理想的理想低通滤波器后，能得到的原始信号低通滤波器后，能得到的原始信号f(t)f(t)。l 在应用中，一般取采样频率在应用中，一般取采样频率f fs s为最高频率为最高频率f fm m 的的4 48 8倍倍。 l 简单模拟信号的频谱范围是已知的，如简单模拟信号的频谱范围是已知的，如温度低于温度低于1Hz1Hz，声音为，声音为20Hz20Hz20000Hz20000Hz。复杂。复杂信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪测得，也可用试验的方法选取最合适的测得，也可用试验的方法选取最合适的f f

8、s s 。2.2.量化量化 l 所谓量化，就是以一定的量化单位把数值所谓量化，就是以一定的量化单位把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。过程。l 量化相当于只取近似整数商的除法运算。量化相当于只取近似整数商的除法运算。l 量化单位用量化单位用q q表示，对于模拟量小于一个表示，对于模拟量小于一个q q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常为了减少误差采用为了减少误差采用“四舍五入四舍五入”的方法使之整的方法使之整量化。这种量化方法的输入输出特性如图量化。这种量化方法的输入输出特性如图2-32-3所示

9、，图中虚线表示量化单位为所示，图中虚线表示量化单位为0 0时的特性，时的特性，实线表示实际特性。实线表示实际特性。图2-3 量化特性和量化误差 量化过程舍入误差为量化误差。以量化过程舍入误差为量化误差。以=x(t)-y(t)表示量表示量化误差，量化误差有正有负（图化误差，量化误差有正有负（图2-3(c)）,最大为最大为q/2，平，平均误差为均误差为0。最大误差随量化单位而改变，。最大误差随量化单位而改变，q愈小愈小也愈小。也愈小。 3 3 编码编码l 编码往往涉及到编码往往涉及到A/DA/D转换的具体应用，转换的具体应用，若考虑为双极性信号，可采用补码方式。若考虑为双极性信号，可采用补码方式。

10、二二A/DA/D转换器的技术指标转换器的技术指标1 1分辨率分辨率l A/D A/D转换器的分辨率转换器的分辨率: :转换器能分辨最小转换器能分辨最小的量化信号的能力。的量化信号的能力。l 分辨率取决于分辨率取决于A/DA/D转换器的位数，习惯上转换器的位数，习惯上以输出二进制数的位数来表示。以输出二进制数的位数来表示。l 如如ADC0809ADC0809转换器的分辨率为转换器的分辨率为8 8位，表示位，表示可以用可以用2 28 8个二进制数对输入模拟量进行量化，个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨率为其分辨率为1LSB1LSB（最低有效位值），若最大（最低有效位值），若最大允许输入电压为允

11、许输入电压为10V10V，则，则1LSB=10V/ 21LSB=10V/ 28 8 =39.06mV=39.06mV。 2. 2. 转换精度转换精度 l 转换精度反映实际转换精度反映实际A/DA/D转换器与理想转换器与理想A/DA/D转换转换器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示l （1 1）绝对精度）绝对精度 指的是在指的是在A/DA/D输出端产生给定的数字代码，输出端产生给定的数字代码，实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差（中间模拟值）。值之差（中间模拟值）。l （2 2）相对精度）相对精度 指的是

12、指的是A/DA/D满度值校准以后，任一数字输出满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。（中间值）之差。3 3转换速率转换速率 转换速率转换速率: :指指A/DA/D转换器在每秒钟内所转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。能完成的转换次数。 这个指标也可以表述为转换时间，即这个指标也可以表述为转换时间，即A/DA/D转换从启动到结束所需的时间，两者互转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。为倒数。 例如，某例如，某A/DA/D转换器的转换速率为转换器的转换速率为5KHz5KHz，则其转换时间是则其转换时间是200

13、200 s s。4.4.满刻度范围满刻度范围 满刻度范围满刻度范围: :指指A/DA/D所允许输入电压范围。如所允许输入电压范围。如（0 05 5）V V，（，（0 01010）V V，（，（-5-5+5+5）V V等。等。 满刻度只是个名义值，实际的满刻度只是个名义值，实际的A/DA/D转换器的转换器的最大输入值总比满刻度小最大输入值总比满刻度小1/21/2n n（n n为转换器的位为转换器的位数）。这是因为数）。这是因为0 0值也是值也是2 2n n个转换器状态中的一个转换器状态中的一个。个。 例如例如1212位的位的A/DA/D转换器，其满刻度值为转换器，其满刻度值为10V10V，而实际

14、允许的最大输入电压值为而实际允许的最大输入电压值为: : 10V10V* *2 212-112-1/2/21212=9.9976V=9.9976V。A/DA/D转换器的种类转换器的种类 常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。l 逐次逼近式逐次逼近式: :转换时间与转换精度比较适转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在中，转换时间一般在1 1100100 s s之间，转换精度之间，转换精度一般在一般在0.1%0.1%上下，适用于一般场合。上下，适用于一般场合。l 积分式积分式: :转换时间一般在转换时间一般在msms级。适用于要级。适用于要求精度高

15、，但转换速度较慢的仪器中使用。求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。l 并行式并行式: :采用并行比较，转换速率可以很采用并行比较，转换速率可以很高，其转换时间可达高，其转换时间可达nsns级，可用于医学图象处级，可用于医学图象处理等转换速度较快的仪器中。理等转换速度较快的仪器中。2.1.22.1.2逐次逼近式逐次逼近式ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理概述原理概述 l N N位的逐次逼近式位的逐次逼近式A/DA/D转换器（图转换器（图2-42-4），由），由N N位寄存器、位寄存器、N N位位D/AD/A转换器、比较器、逻辑控转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器等五部分组

16、成。制电路、输出缓冲器等五部分组成。l 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先工作原理：启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使通过逻辑控制电路使N N位寄存器的最高位位寄存器的最高位D DN-1N-1为为1 1，以下各位为，以下各位为0 0，这个二进制代码经，这个二进制代码经D/AD/A转换转换器转换成电压器转换成电压U U0 0（此时为全量程电压的一半）（此时为全量程电压的一半）送到比较器与输入模拟电压送到比较器与输入模拟电压U UX X比较。若比较。若U UX XUU0 0，则保留这一位；若则保留这一位；若U UX XUU0 0，则，则D DN-1N-1 位置位置0 0。逐次逼近式逐次

17、逼近式A/DA/D原理概述原理概述l D DN-1N-1位比较完毕后，再对下一位即位比较完毕后，再对下一位即D DN-2N-2位进位进行比较，控制电路使寄存器行比较，控制电路使寄存器D DN-2N-2为为1 1，其以下各，其以下各位仍为位仍为0 0，然后再与上一次，然后再与上一次D DN-1N-1结果一起经过结果一起经过D/AD/A转换后再次送到比较器与转换后再次送到比较器与U UX X相比较。如此一位相比较。如此一位一位地比较下去，直至最后一位一位地比较下去，直至最后一位D D0 0比较完毕为比较完毕为止。止。l 最后，发出最后，发出EOCEOC信号表示转换结束。这样经信号表示转换结束。这样

18、经过过N N次比较后，次比较后，N N位寄存器保留的状态就是转换位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。后的数字量数据。图图2-4 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的结构转换器的结构 A/DA/D转换器实际转换过程已不重要转换器实际转换过程已不重要l 目前，逐次逼近式目前，逐次逼近式A/DA/D转换器大都做成单片转换器大都做成单片集成电路的形式，使用时只需发出集成电路的形式，使用时只需发出A/DA/D转换启动转换启动信号，然后在信号，然后在EOCEOC端查知端查知A/DA/D转换过程结束后，转换过程结束后，取出数据即可。取出数据即可。l 这类芯片有这类芯片有ADC0809ADC0809、AD

19、C1210ADC1210、ADC7574ADC7574、AD574AD574、TLC549TLC549、MAX1241MAX1241等是应用得最多的等是应用得最多的A/DA/D转换器类型。转换器类型。ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口 l ADC0809ADC0809是是8 8路路8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器。转换器。它能分时地对它能分时地对8 8路模拟量信号进行路模拟量信号进行A/DA/D转换，结转换，结果为果为8 8位二进制数据，结构如图位二进制数据，结构如图2-52-5所示，它由所示，它由三大部分组成：三大部分组成：l 第一部分是第一部分是:8:8路

20、输入模拟量选择电路；路输入模拟量选择电路；l 第二部分是第二部分是: :一个逐次逼近式一个逐次逼近式A/DA/D转换器；转换器；l 第三部分是第三部分是: :三态输出缓冲锁存器。三态输出缓冲锁存器。 ADC0809 ADC0809原理结构图原理结构图 图图2-5 ADC0809原理结构图原理结构图 8 8路输入模拟量选择电路路输入模拟量选择电路l 8 8路输入模拟量选择电路输入模拟量选择电路：路：l 8 8路输入模拟量信号分路输入模拟量信号分别接到别接到ININ0 0到到ININ7 7端，究竟选端，究竟选通哪一路去进行通哪一路去进行A/DA/D转换由转换由地址锁存器与译码器电路控地址锁存器与译

21、码器电路控制，见右表所示。制，见右表所示。l A A，B B，C C为输入地址选为输入地址选择线，地址信息由择线，地址信息由ALEALE的上的上升沿打入地址锁存器升沿打入地址锁存器。ALEALEC B AC B A接通信号接通信号1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 ININ0 0ININ1 1ININ2 2ININ3 3ININ4 4ININ5 5ININ6 6ININ7 7均不通均不通表表2-1 ADC0809真值

22、表真值表 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器 l START START为启动信号，要求输入正脉冲信号，为启动信号，要求输入正脉冲信号，在上升沿复位内部逐次逼近寄存器，在下降在上升沿复位内部逐次逼近寄存器，在下降沿启动沿启动A/DA/D转换。转换。EOCEOC为转换结束标志位，为转换结束标志位，“0”0”表示正在转换，表示正在转换，“1”1”表示一次表示一次A/DA/D转换的结转换的结束。束。CLOCKCLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决为外部时钟输入信号，时钟频率决定了定了A/DA/D转换器的转换速率，转换器的转换速率，ADC0809ADC0809每一通每一通道的转换约需（道的

23、转换约需（66667373）个时钟周期，当时）个时钟周期，当时钟频率取钟频率取640KHz640KHz时，转换一次约需时，转换一次约需100100 s s时间，时间，这是这是ADC0809ADC0809所能允许的最短转换时间。所能允许的最短转换时间。三态输出缓冲锁存器三态输出缓冲锁存器l A/DA/D转换的结果就是由转换的结果就是由EOCEOC信号打入三态信号打入三态输出缓冲锁存器。输出缓冲锁存器。l OEOE为输出允许信号，当向为输出允许信号，当向OEOE端输入一个端输入一个高电平时，三态门电路被选通，这时便可读高电平时，三态门电路被选通，这时便可读取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。取结果

24、。否则缓冲锁存器输出为高阻态。 ADC0809ADC0809的时序图的时序图 l ADC0809 ADC0809的时序图如图的时序图如图2-62-6所示。所示。l 启动启动ADC0809ADC0809后，后，EOCEOC约在约在1010 s s后才变为后才变为低电平，因而在用低电平，因而在用STARTSTART启动启动08090809转换器后，转换器后，不能立即通过检测不能立即通过检测EOCEOC来判断转换是否结束，来判断转换是否结束，而应等待约而应等待约1010 s s再检测，否则会出现错误结再检测，否则会出现错误结果。果。图图2-6 ADC0809时序图时序图 ADC0809ADC0809

25、与单片机与单片机80318031接口电路接口电路 l ADC0809 ADC0809输出带有三态输出缓冲锁存器，输出带有三态输出缓冲锁存器，因而不加因而不加I/OI/O接口芯片，可以直接接到微机系接口芯片，可以直接接到微机系统的总线上。统的总线上。 l ADC0809ADC0809的时钟信号（的时钟信号（CLOCKCLOCK）由）由80318031的的ALEALE端的输出脉冲（其频率为端的输出脉冲（其频率为80318031时钟频率的时钟频率的1/61/6）经二分频得到，）经二分频得到，80318031由地址线由地址线P P2.02.0和读写和读写控制线启动控制线启动ADC0809ADC0809

26、的的STARTSTART、地址锁存、地址锁存ALEALE和和输出允许输出允许OEOE信号。信号。A/DA/D转换结束信号转换结束信号EOCEOC反相后反相后连至连至80318031的的INTINT1 1（P P3.33.3）。模拟输入通道地址）。模拟输入通道地址的译码输入信号的译码输入信号A A，B B，C C由由P P0.00.0P P0.20.2提供。根提供。根据以上连接，据以上连接，08090809的地址为的地址为FEFFHFEFFH。图图2-7 ADC0809与单片机与单片机8031接口电路接口电路A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常用的软件控制方式 l 常用的控制方式主要有：常用

27、的控制方式主要有：程序查询方式、程序查询方式、延时等待方式和中断方式。延时等待方式和中断方式。l 1 1程序查询方式程序查询方式l微处理器向微处理器向A/DA/D转换器发出启动信号后，读转换器发出启动信号后，读入转换结束信号，查询转换是否结束；若转换入转换结束信号，查询转换是否结束；若转换结束，可以读入数据；否则再继续查询，直至结束，可以读入数据；否则再继续查询，直至转换结束再读入数据。转换结束再读入数据。l微机微机“查询查询”消耗时间，效率低，但比较消耗时间，效率低，但比较简单，可靠性高。实际应用还是比较普遍的。简单，可靠性高。实际应用还是比较普遍的。A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常

28、用的软件控制方式l 2 2延时等待方式延时等待方式l启动启动A/DA/D后，根据后，根据A/DA/D转换所需的时间（如转换所需的时间（如ADC0809ADC0809为为100100 s s）软件延时等待，延时结束，）软件延时等待，延时结束，读入数据。这种方法可靠性高，不占查询端读入数据。这种方法可靠性高，不占查询端口。口。l 3 3中断方式中断方式l微处理器启动微处理器启动A/DA/D转换后可转去处理其他转换后可转去处理其他事情，事情，A/DA/D转换结束便向微处理器发出中断申转换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。微处理器

29、与微处理器与A/DA/D转换器并行工作，提高了工作转换器并行工作，提高了工作效率。效率。ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口实例接口实例l 以下图示的以下图示的ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口电接口电路，给出查询、延时和中断这三种方式下的转路，给出查询、延时和中断这三种方式下的转换程序。换程序。l 转换程序是将由转换程序是将由ININ0 0端输入的端输入的0 05V5V模拟信模拟信号转换为对应的数字量号转换为对应的数字量00H00HFFHFFH，然后再存入，然后再存入80318031内部内部RAMRAM的的30H30H单元中。单元中。

30、a.a.查询方式查询方式 l MOV DPTR,#0FEFFHl MOV A,#00H ;赋通道赋通道0地址地址l MOVX DPTR,A ;启动启动IN0转换转换l MOV R2,#20Hl DLY: DJNZ R2,DLY ;延时延时,等待等待EOC变低变低l WAIT: JB P3.3,WAIT ;查询查询,等待等待EOC变高变高l MOVX A,DPTRl MOV 30H,A ;结果存结果存30Hb.b.延时等待方式延时等待方式l MOV DPTR,#0FEFFHl MOV A,#00H ;赋通道赋通道0地址地址l MOVX DPTR,A ;启动启动IN0转换转换l MOV R2,#4

31、0Hl WAIT: DJNZ R2,DLY ;延时约延时约120uSl MOVX A,DPTRl MOV 30H,A ;结果存结果存30H c.c.中断方式中断方式 l 主程序：主程序：l MAIN:SETB IT1 ；选；选INT1为边沿触发为边沿触发lSETB EX1 ；允许；允许INT1中断中断 lSETB EA ；打开中断；打开中断lMOV DPTR,#0FEFFHlMOV A,#00H lMOVX DPTR,A ；启动启动A/D转换转换l ；执行其他任务；执行其他任务中断服务程序中断服务程序INT1: PUSH DPL ；保护现场；保护现场 PUSH DPH PUSH A MOVDP

32、TR,#0FEFFH MOVX A,DPTR ；读转换结果；读转换结果 MOV30H,A ；结果存；结果存30H MOVA,00H MOVX DPTR,A ；启动下一次转换；启动下一次转换 POP A POP DPH POP DPL ；返回现场；返回现场 RETI ；返回；返回AD574AD574芯片及其接口芯片及其接口 l AD574AD574是是1212位快速逐次逼近型位快速逐次逼近型A/DA/D转换器，其转换器，其最快转换时间为最快转换时间为2525 s s，转换误差为，转换误差为 1LSB1LSB。AD574AD574具有下述几个基本特点：片内含有电压基具有下述几个基本特点：片内含有电

33、压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器接口；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接口；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接成单极性方式时，输入电压范围为接成单极性方式时，输入电压范围为010V010V或或020V020V，接成双极性方式时，输入电压范围为，接成双极性方式时，输入电压范围为- -5V5V,-10V10V5V5V,-10V10V。 图图2-8 AD574原理与引脚图原理与引脚图 AD574AD574原理与主要引脚信号定义原理与主要引脚信号定义 l CS C

34、S ：片选信号，低电平有效。片选信号，低电平有效。l CECE：片使能信号，高电平有效。片使能信号，高电平有效。l R/C R/C ：读读/ /启动信号，高时读启动信号，高时读A/DA/D转换结果，低转换结果，低时启动时启动A/DA/D转换。转换。l 12/8 12/8 ：输出数据长度控制信号，高为输出数据长度控制信号，高为1212位，低位，低为为8 8位。位。l STSSTS：工作状态信号，高为正在转换，低为转换工作状态信号，高为正在转换，低为转换结束。结束。 CSCSCSl A A0 0：有两种含义：当有两种含义：当R/CR/C为低时，为低时，A0为高，启动为高，启动8位位A/D转换；转换

35、；A0为低，启动为低，启动12位位A/D转换。转换。l 当当R/CR/C为高时，为高时，A0为高，输出低为高，输出低4位数据；位数据；A0为为低，输出高低，输出高8位数据位数据l 上述上述5个信号的组合所对应的个信号的组合所对应的A/D转换器的状态转换器的状态见表见表2-2所示。所示。l STSSTS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。转换结束。l REF INREF IN：基准输出线。基准输出线。l BIP OFFBIP OFF：单极性补偿。：单极性补偿。l DBDB1111DBDB0 0：12位数据线。位数据线。l 10VIN10VIN，20

36、VIN20VIN：模拟量输入端。模拟量输入端。表表2-2 AD5742-2 AD574的操作的操作表表2-2 AD574的操作的操作 AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路 l 根据根据AD574各引脚的功能，各引脚的功能，8031单片机单片机与与AD574的接口电路可按如图的接口电路可按如图2-9所示电路来所示电路来安排。由于安排。由于8031的高的高8位地址位地址P2.0P2.7没有使没有使用，故可采用寄存器间接寻址方式。其中启用，故可采用寄存器间接寻址方式。其中启动动A/D的地址为的地址为1FH，读出低，读出低4位数地址为位数地址为7FH，读出高，读出高

37、8位数地址为位数地址为3FH。 图图2-9 AD574与与8031单片机的接口电路单片机的接口电路AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路l 图中图中STS可有三种接法以对应三种控制方可有三种接法以对应三种控制方式：式：l (1)如如STS空着，单片机只能采取延时等待方空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时式，在启动转换后，延时25 s以上时间，再以上时间，再读入读入A/D转换结果；转换结果；l (2)如如STS接单片机一条端口线，单片机就可接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待以用查询的方法等待STS为低后再读入为低后再读入A/D转转换

38、结果；换结果；l (3)如如STS接单片机外部中断线，就可以在引接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入起单片机中断后，再读入A/D转换结果。转换结果。 采用延时等待方式的控制程序清单：采用延时等待方式的控制程序清单：MOVR0，#1FH；启动；启动MOVX R0，AMOVR7，#10H；延时；延时DJNZR7，$MOVR1，#7FH；读低；读低4位位MOVX A，R1MOVR2，A；存低；存低4位位MOVR1，#3FH；读高；读高8位位MOVX A，R1MOVR3，A；存高；存高8位位SJMP$单极性模拟输入方式接线的调整单极性模拟输入方式接线的调整 l 单极性模入方式单极性模入

39、方式(图图2-9)中，中， 10VIN输入输入电压范围为电压范围为0V10V， 1LSB对应的模拟对应的模拟电压为电压为2.44mV；2 0VIN输入电压范围为输入电压范围为0V20V，1LSB对应的模拟电压为对应的模拟电压为4.88mV。R1用用于零点调整，于零点调整，R2用于满刻度校准。方法为：用于满刻度校准。方法为：l 如输入电压接如输入电压接10VIN端，调整端，调整R1，使输入，使输入模拟电压为模拟电压为1.22mV（即（即 12LSB）时，输出）时，输出数字量从数字量从0000 0000 0000变到变到0000 0000 0001；l 调整调整R2，使得输入电压为，使得输入电压为

40、9.9963V时，数时，数字量从字量从1111 1111 1110变到变到1111 1111 1111。双极性模拟输入方式的调整双极性模拟输入方式的调整 l 对于双极性模入方式，把对于双极性模入方式，把REF IN， REF OUT，和，和 BIP OFF三个引脚的接线按图三个引脚的接线按图2-10重重新安排，双极性模入方式零点与满刻度校准方新安排，双极性模入方式零点与满刻度校准方法与单极性方式近似。需要注意的是，输入模法与单极性方式近似。需要注意的是，输入模拟量与输出数字量之间的对应关系为：拟量与输出数字量之间的对应关系为：l 10VIN端输入时：端输入时： 5V0V十十5V 对应对应 00

41、0H800HFFFHl 20VIN端输入时：一端输入时：一10V0V十十10V 对应对应 000H 800HFFFH图图2-10 AD574双极性模拟输入接线方式双极性模拟输入接线方式 MAX1241MAX1241芯片及其接口芯片及其接口 l 以串行数据形式输出的以串行数据形式输出的A/D转换器具有引脚转换器具有引脚少、体积小的特点；接口所需的少、体积小的特点；接口所需的IO位数也比位数也比较少。有利于提高仪器的集成度和减小体积，较少。有利于提高仪器的集成度和减小体积，能方便、廉价地实现需要进行模拟与数字隔离能方便、廉价地实现需要进行模拟与数字隔离的场合。的场合。l 串行输出的串行输出的AD转

42、换器虽有多种型号，接转换器虽有多种型号，接口时序也有所不同。但接口的实现和控制方法口时序也有所不同。但接口的实现和控制方法还是基本相同的。现以还是基本相同的。现以MAX1241为例来说明串为例来说明串行输出行输出ADC接口技术。接口技术。MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介 l MAX1241是一种是一种低功耗、低电压的低功耗、低电压的12位逐次逼近型位逐次逼近型ADC，最大非线性误差小于最大非线性误差小于1LSB，转换时间，转换时间9 s。采用三线式串行接口，采用三线式串行接口，内置快速采样保持内置快速采样保持电路。其结构和引脚电路。其结构和引脚定义如图定

43、义如图2-11所示。所示。 图图2-11 MAX1241内部结构和管脚定义内部结构和管脚定义 MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介l MAX1241采用采用8引脚引脚DIP或或SO形式封装，形式封装，完善的内部电路几乎不需要外围器件即能工完善的内部电路几乎不需要外围器件即能工作。作。l 内置采样内置采样/保持电路在保持电路在AD转换开始时，转换开始时，自动捕捉信号，最大捕捉时间自动捕捉信号，最大捕捉时间 1.5 s。l 12位逐次逼近型位逐次逼近型 ADC的并行输出经输的并行输出经输出移位寄存器变换为串行输出，整个工作过出移位寄存器变换为串行输出，整个工作过

44、程受控于三线串行接口。程受控于三线串行接口。 表表2-3 MAX1241管脚功能管脚功能 MAX1241MAX1241采用单电源供电，动态功耗在以每秒采用单电源供电，动态功耗在以每秒73K73K转转换速率工作时，仅需换速率工作时，仅需0 09mA9mA电流。在停止转换时，可电流。在停止转换时，可通过控制端使其处于休眠状态，以降低静态功耗。休通过控制端使其处于休眠状态，以降低静态功耗。休眠方式下，电源电流仅眠方式下，电源电流仅1 1 A A。MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序 l MAXI 241的工作时序（图的工作时序（图2-12）：每次）：每次转换由芯片选通信号的下降沿触发

45、，但此时驱转换由芯片选通信号的下降沿触发，但此时驱动时钟动时钟 SCLK必须为低。必须为低。l AD转换启动后，内部控制逻辑切换采转换启动后，内部控制逻辑切换采样保持电路为保持状态，并使输出数据线样保持电路为保持状态，并使输出数据线DOUT变低。在整个转换期内变低。在整个转换期内,SCLK应保持低应保持低电平。转换结束时电平。转换结束时DOUT由低变高。由低变高。l 一次转换结束，内部控制逻辑将自动把采一次转换结束，内部控制逻辑将自动把采样保持器切换为捕捉状态。样保持器切换为捕捉状态。图图2-12 MAX1241工作时序工作时序 MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序l 对对MA

46、X1241转换结果的输入在转换结束后转换结果的输入在转换结束后进行，由驱动时钟进行，由驱动时钟SCLK的下降沿触发一位数的下降沿触发一位数据输出。据输出。l 在下一个在下一个SCLK脉冲下降沿到来前，该位脉冲下降沿到来前，该位数据将始终保持在数据将始终保持在DOUT输出端上。输出端上。l 数据输出从最高位开始，每个数据输出从最高位开始，每个SCLK脉冲脉冲下降沿输出一位。第下降沿输出一位。第12个个SCLK的下降沿输出的下降沿输出最低位。在数据输出周期内，必须保持低电平，最低位。在数据输出周期内，必须保持低电平，若在第若在第13个个SCLK下降沿后，仍保持低电平，下降沿后，仍保持低电平，DOU

47、T则一直保持为低电平。则一直保持为低电平。 2 2MAX1241 MAX1241 与与 803180315151的接口的接口 l MAX1241与微机接口的实现有二种选择，与微机接口的实现有二种选择，一是使用普通端口，利用程序实现串行输入。一是使用普通端口，利用程序实现串行输入。另一种则是直接使用串行接口。前者输入速度另一种则是直接使用串行接口。前者输入速度低，后者需占用串行通信口。低，后者需占用串行通信口。l （l）MAX1241与与 8031/51的通用的通用 IO方式接方式接口口：l MAX1241与与 8031/51的通用的通用 IO接口如图接口如图2-13所示。接口使用三位通用所示。

48、接口使用三位通用 IO端口端口P1.0P1.2。其中。其中P1.0用于片选信号，用于片选信号，P1.1产生驱动脉冲产生驱动脉冲SCLK ， P1.2为数据输入为数据输入 。 控制程序如下：控制子程序完成一次控制程序如下：控制子程序完成一次A/D转换和输转换和输入，输入数据存放于入，输入数据存放于R0，R1寄存器。寄存器。；寄存器及端口定义：；寄存器及端口定义：CS：BIT P1.0 ；片选信号位；片选信号位DOUT：BIT P1.2；串行数据输入位；串行数据输入位SCLK：BIT P1.1；驱动时钟位；驱动时钟位DATA_BH：EQU R0；高字节数据存储单元；高字节数据存储单元DATA_BL

49、：EQUR1；低字节数据存储单元；低字节数据存储单元CONT_H：EQUR0；高位取数计数器；高位取数计数器CONT_L：EQU R1；低；低8位取数计数器位取数计数器 ；控制子程序；控制子程序SADC_R： XRLA，A ；清；清A MOV CONT_H，04H ；高；高8位计数位计数 MOV CONT_L，08H ；低；低8位计数位计数 CLR SCLK ；SCLK置置“0” CLR CS ；选中；选中1241，启动转换，启动转换SADC END：JNB DOUT，SADC_ END ；检测；检测A/D转换结束转换结束READ_H： SETBSCLK CLRSCLK ；产生一个驱动时钟；产

50、生一个驱动时钟 MOV C，DOUT ；输入一位数据；输入一位数据 RLC A ；数据移位至；数据移位至ACC0 DJNZ CONT_H，READ_H ；高；高 4位输入结束判别位输入结束判别 MOV DATA_BH，A ；高；高 4位数据送寄存器位数据送寄存器READ_L： SETBSCLK CLRSCLK ；产生一个驱动时钟；产生一个驱动时钟 MOV C，DOUT ；输入一位数据；输入一位数据 RLC A ；数据移位置；数据移位置ACC0 DJNZ CONT_L，READ_L；低；低8位输入结束判别位输入结束判别 MOV DATA_BL，A ；低；低8位数据送寄存器位数据送寄存器 SETB

51、SCLK CLRSCLK ；清；清 DOUT输出输出 SETB CS ；撤消片选；撤消片选 RET（2 2）MAX1241MAX1241与与803180315151串行接口串行接口 l 当使用当使用803151串行口实现与串行口实现与MAX1241联接时，串行口应工作于同步移位寄存器方式联接时，串行口应工作于同步移位寄存器方式（方式（方式0）。此时，串行口的接受数据端）。此时，串行口的接受数据端RXD（P3.0）被用于接受）被用于接受MAX1241的输出数据。而的输出数据。而发送数据端发送数据端TXD（P3.1）则被用于提供驱动时）则被用于提供驱动时钟，为满足时序要求；应将其反相。片选信号钟，

52、为满足时序要求；应将其反相。片选信号仍使用仍使用P1.0。接口电路如图。接口电路如图2-14所示。所示。 8031/518031/51串行接口控制程序串行接口控制程序 l 由于由于8031/51串行口一次只能接受串行口一次只能接受8位数据，位数据，故故12位位AD转换结果必须分二次接受。转换结果必须分二次接受。l 同前述程序直接输入一样，控制程序必须同前述程序直接输入一样，控制程序必须检测检测AD转换结束信号，即转换结束信号，即DOUT的上跳变，的上跳变，只要当只要当DOUT变为高电平后，方能启动串行接变为高电平后，方能启动串行接受。受。l 接口控制程序如下所示接口控制程序如下所示:MAX12

53、41 ADC串行接口控制子程序串行接口控制子程序；寄存器及端口定义；寄存器及端口定义CS： BIT P1.0EOC： BIT P3.0DATA_BH： EQU R0 ；接受数据高位存储寄存器；接受数据高位存储寄存器DATA_BL： EQU R1 ；接受数据低位存储寄存器；接受数据低位存储寄存器 ；串行口设置子程序；串行口设置子程序SPOR_SET：CLR ES ；禁止串行中断；禁止串行中断 MOV SCON，00H ；串行口为方式；串行口为方式0，停止接受，停止接受 SETB CS ；禁止；禁止 ADC RET；接口控制子程序；接口控制子程序SAD_SR： CLR CS；启动；启动 AD转换转

54、换AD_NEND： JNB EOC，AD_NEND；等待转换结束；等待转换结束 SETB REN；启动串行接收；启动串行接收FR_NEND： JNB RI，FR_NEND；等待接收结束；等待接收结束 MOV DATA_BH，SBUF ；从串行数据缓冲器输；从串行数据缓冲器输 入高入高8位数据位数据 CLR RI ；启动第二次接收；启动第二次接收SR_NEND： JNB RI，SR _NEND ；等待接收结束；等待接收结束 MOV DATA_BL，SBUF ；从串行数据缓冲器；从串行数据缓冲器 输入低输入低4位数据位数据 CLR REN ；停止接收；停止接收 SETB CS ；禁止；禁止ADC

55、RET2 21 13 3 积分式积分式ADCADC l 大多用于低速、廉价的积分型大多用于低速、廉价的积分型AD转换转换器中，几乎无一例外地采用了十进制编码方器中，几乎无一例外地采用了十进制编码方式，每次输出一位并行十进制编码，整个转式，每次输出一位并行十进制编码，整个转换结果分若干次输出。这种低速、廉价但高换结果分若干次输出。这种低速、廉价但高精度、强抗干扰的集成精度、强抗干扰的集成A/D转换器以其优良的转换器以其优良的性能价格比被广泛应用于低速测量领域。性能价格比被广泛应用于低速测量领域。 1 1MC14433 3MC14433 3位双积分位双积分ADCADC l MC14433是具备零漂

56、补偿和采用是具备零漂补偿和采用CMOS工工艺制造的艺制造的3位单片双积分位单片双积分A/D转换器，最大输出转换器，最大输出数码数码1999，具有功耗低、输入阻抗高和自动调，具有功耗低、输入阻抗高和自动调零、自动极性转换功能。其转换精度为土零、自动极性转换功能。其转换精度为土（ 005 Vi 1LSB），输入电阻大于），输入电阻大于100M,对应时钟频率范围为对应时钟频率范围为 50150kHz，转换速度，转换速度为每秒为每秒310次。内部结构框图及管脚功能如次。内部结构框图及管脚功能如图图2-15所示。所示。图图2-15 MC14433 ADC结构框图及管脚功能结构框图及管脚功能 MC1443

57、3采用土采用土5V供电电源，只需一个供电电源，只需一个正基准电压正基准电压VR ，其与输入电压，其与输入电压Vi成下列比例成下列比例关系关系 输出读数输出读数= 1999 （2-1） 当满量程时当满量程时Vi= VR 。 Vi输入有输入有2V和和200mV两个量程挡。当满度电压为两个量程挡。当满度电压为1999V时，时，VR取取2000V；当满度电压为；当满度电压为1999mV时，时， VR取取2000mV。当然，也可根据需要。当然，也可根据需要在在200mV2V之间任意选择之间任意选择VR的值，此时，的值，此时，读数的一个读数的一个LSB所对应的输入电压则需通过所对应的输入电压则需通过式式2

58、-1求得。求得。 RVVi|MC14433MC14433输出时序输出时序 MC14433由内部电路自动控制转换由内部电路自动控制转换,无需无需外加启动信号，输出数据通过外加启动信号，输出数据通过Q3Q0输出端输出端，逐位逐位输出输出BCD码码，并不断重复。并通过，并不断重复。并通过 DS1DS4指明现行输出指明现行输出 BCD码是十进制位中码是十进制位中的某一位的某一位(千位千位个位）个位）。A/D转换结束，在转换结束，在EOC端输出一端输出一正脉冲正脉冲，宽度为一个时钟周期。，宽度为一个时钟周期。输出数据更新需通过输出数据更新需通过DV端端的的正跳变信号正跳变信号实现，实现，通常将通常将EO

59、C与其与其短接短接。其整个输出时序如图。其整个输出时序如图2-16所示。在所示。在千位输出千位输出时，携带时，携带输出极性输出极性及及超量超量程信息程信息，如表，如表2-4所示。所示。图图2-16 MC14433输出时序输出时序MC14433MC14433千位编码定义千位编码定义 表表2-4 MC14433千位编码定义千位编码定义 2 2MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口 l MC14433输出不具有三态缓冲，故必须输出不具有三态缓冲，故必须通过接口方可挂接于微机总线。对于通过接口方可挂接于微机总线。对于803151单片机而言，最简接的方法是直接与其

60、单片机而言，最简接的方法是直接与其I/O端口相连。因端口相连。因 MC14433为低速为低速 ADC，所以宜，所以宜采用中断方式接口。图采用中断方式接口。图2-17给出了其与给出了其与 8031/51的接口电路的接口电路。 图图2-17 MC14433ADC2-17 MC14433ADC与与 8031/518031/51的接口的接口 图图2-18 2-18 数据格式数据格式 MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口l 接口使用接口使用P1口，高口，高4位输入位输入BCD码，低码，低4位位输入位选信号输入位选信号DS1DS4。 EOC的下跳沿触发的下跳沿触发