医学信号数据采集系统设计专家讲座

数字化医疗仪器第二章医学信号数据采集系统设计医学信号数据采集系统设计专家讲座第1页数据采集系统是医学信号数字化基础

人体各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采取各种传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量电压或电流送模/数转换器（A/D)，变成适合于微处理机使用数字量供系统处理。

一样，微处理器处理后数据往往又需要使用数/模转换器（D/A)及适应接口将其变换成模拟量送出，如图2-1所表示。医学信号数据采集系统设计专家讲座第2页模拟量输入/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;D/A转换器及对应接口称为模拟量输出通道。医学信号数据采集系统设计专家讲座第3页2.1模拟量输入通道

2.1.1A/D转换器概述一.概述A/D转换器是将模拟量转换为数字量器件，这个模拟量泛指电压、电流、时间等参量,但通常情况下，模拟量是指电压参量。在A/D转换过程中通常要完成采样、量化和编码三个步骤。医学信号数据采集系统设计专家讲座第4页1.

采样

待采样模拟信号是连续，可看成无限多个瞬时值组成，而A/D转换以及计算机处理需要一定时间，不可能把每一个瞬时值都转换成数字量。必须在连续改变模拟量上按周期取样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。

采样是经过采样保持电路实现，采样器（电子模拟开关)在控制脉冲s(t)控制下，周期性地把随时间连续改变模拟信号f(t)转变为时间上离散模拟信号fs(t)。医学信号数据采集系统设计专家讲座第5页

仅在采样瞬间τ允许输入信号f(t)经过采样器,其它时间断开。采样器输出fS(t)是一串窄脉冲,脉冲包络线是与输入信号相同。图2-2采样器输入输出波形

医学信号数据采集系统设计专家讲座第6页输出信号能否如实反应原始输入信号?

采样得信号fs(t)值和原始输入信号f(t)在对应瞬时值相同，所以采样后信号在量值上依然是连续。

能够证实：当采样器采样频率fs高于或最少等于输入信号最高频率fm两倍时（即fs≥2fm时)，采样输出信号fs(t)（采样器脉冲序列)能代表或恢复成输入模拟信号f(t)，这就是采样定理。医学信号数据采集系统设计专家讲座第7页

怎样知道输入信号f(t)频率，尤其是它最高频率fm?

信号"最高频率”指是输入信号经频谱分析后得到最高频率分量。"恢复”指是样品序列fS(t)经过截止频率为fm理想低通滤波器后，能得到原始信号f(t)。

在应用中，普通取采样频率fs为最高频率fm4～8倍。

简单模拟信号频谱范围是已知，如温度低于1Hz，声音为20Hz～0Hz。复杂信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪测得，也可用试验方法选取最适当fs。医学信号数据采集系统设计专家讲座第8页2.量化

所谓量化，就是以一定量化单位把数值上连续模拟量转变为数值上离散阶跃量过程。

量化相当于只取近似整数商除法运算。

量化单位用q表示，对于模拟量小于一个q部分，能够用舍掉方法使之整量化，通常为了降低误差采取"四舍五入”方法使之整量化。这种量化方法输入输出特征如图2-3所表示，图中虚线表示量化单位为0时特征，实线表示实际特征。医学信号数据采集系统设计专家讲座第9页图2-3量化特征和量化误差

量化过程舍入误差为量化误差。以ε=x(t)-y(t)表示量化误差，量化误差有正有负（图2-3(c)),最大为±q/2，平均误差为0。最大误差随量化单位而改变，q愈小ε也愈小。医学信号数据采集系统设计专家讲座第10页3.

编码

编码往往包括到A/D转换详细应用,若考虑为双极性信号,可采取补码方式。

医学信号数据采集系统设计专家讲座第11页二.A/D转换器技术指标

1.分辨率A/D转换器分辨率:转换器能分辨最小量化信号能力。

分辨率取决于A/D转换器位数，习惯上以输出二进制数位数来表示。

如ADC0809转换器分辨率为8位，表示能够用28个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨率为1LSB（最低有效位值)，若最大允许输入电压为10V，则1LSB==10V/28=39.06mV。医学信号数据采集系统设计专家讲座第12页2.转换精度

转换精度反应实际A/D转换器与理想A/D转换器量化值上差。用绝对或相对误差来表示（1)绝对精度

指是在A/D输出端产生给定数字代码，实际需要模拟输入值与理论上要求模拟输入值之差（中间模拟值)。（2)相对精度

指是A/D满度值校准以后，任一数字输出所对应实际模拟输入值（中间值)与理论值（中间值)之差。医学信号数据采集系统设计专家讲座第13页3.转换速率

转换速率:指A/D转换器在每秒钟内所能完成转换次数。

这个指标也能够表述为转换时间,即A/D转换从开启到结束所需时间,二者互为倒数。

比如,某A/D转换器转换速率为5KHz,则其转换时间是200s。

医学信号数据采集系统设计专家讲座第14页4.满刻度范围

满刻度范围:指A/D所允许输入电压范围。如（0～5)V，（0～10)V，（-5～+5)V等。

满刻度只是个名义值，实际A/D转换器最大输入值总比满刻度小1/2n（n为转换器位数)。这是因为0值也是2n个转换器状态中一个。

比如12位A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际允许最大输入电压值为:10V*212-1/212=9.9976V。医学信号数据采集系统设计专家讲座第15页A/D转换器种类

惯用有逐次迫近式、积分式、并行式等三类。

逐次迫近式:转换时间与转换精度比较适中，转换时间普通在1～100s之间，转换精度普通在0.1%上下，适合用于普通场所。

积分式:转换时间普通在ms级。适合用于要求精度高，但转换速度较慢仪器中使用。

并行式:采取并行比较，转换速率能够很高，其转换时间可达ns级，可用于医学图象处理等转换速度较快仪器中。医学信号数据采集系统设计专家讲座第16页2.1.2 逐次迫近式ADC

逐次迫近式A/D原理概述

N位逐次迫近式A/D转换器（图2-4)，由N位存放器、N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲器等五部分组成。

工作原理：开启信号作用后，时钟信号先经过逻辑控制电路使N位存放器最高位DN-1为1，以下各位为0，这个二进制代码经D/A转换器转换成电压U0（此时为全量程电压二分之一)送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0，则保留这一位；若UX<U0，则DN-1位置0。医学信号数据采集系统设计专家讲座第17页逐次迫近式A/D原理概述DN-1位比较完成后,再对下一位即DN-2位进行比较,控制电路使存放器DN-2为1,其以下各位仍为0,然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A转换后再次送到比较器与UX相比较。如此一位一位地比较下去,直至最终一位D0比较完成为止。

最终,发出EOC信号表示转换结束。这么经过N次比较后,N位存放器保留状态就是转换后数字量数据。医学信号数据采集系统设计专家讲座第18页图2-4逐次迫近式A/D转换器结构

医学信号数据采集系统设计专家讲座第19页A/D转换器实际转换过程已不主要

当前，逐次迫近式A/D转换器大都做成单片集成电路形式，使用时只需发出A/D转换开启信号，然后在EOC端查知A/D转换过程结束后，取出数据即可。

这类芯片有ADC0809、ADC1210、ADC7574.AD574.TLC549、MAX1241等是应用得最多A/D转换器类型。医学信号数据采集系统设计专家讲座第20页ADC0809芯片及其接口

ADC0809是8路8位逐次迫近式A/D转换器。它能分时地对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数据，结构如图2-5所表示，它由三大部分组成：第一部分是:8路输入模拟量选择电路;第二部分是:一个逐次迫近式A/D转换器;第三部分是:三态输出缓冲锁存器。医学信号数据采集系统设计专家讲座第21页ADC0809原理结构图

图2-5ADC0809原理结构图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第22页8路输入模拟量选择电路8路输入模拟量选择电路:8路输入模拟量信号分别接到IN0到IN7端，终究选通哪一路去进行A/D转换由地址锁存器与译码器电路控制，见右表所表示。A，B，C为输入地址选择线，地址信息由ALE上升沿打入地址锁存器。ALECBA接通信号111111110000001010011100101110111

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通表2-1ADC0809真值表

医学信号数据采集系统设计专家讲座第23页逐次迫近式A/D转换器

START为开启信号，要求输入正脉冲信号，在上升沿复位内部逐次迫近存放器，在下降沿开启A/D转换。EOC为转换结束标志位，“0”表示正在转换，“1”表示一次A/D转换结束。CLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/D转换器转换速率，ADC0809每一通道转换约需（66～73)个时钟周期，当初钟频率取640KHz时，转换一次约需100s时间，这是ADC0809所能允许最短转换时间。医学信号数据采集系统设计专家讲座第24页三态输出缓冲锁存器A/D转换结果就是由EOC信号打入三态输出缓冲锁存器。OE为输出允许信号,当向OE端输入一个高电平时,三态门电路被选通,这时便可读取结果。不然缓冲锁存器输出为高阻态。医学信号数据采集系统设计专家讲座第25页ADC0809时序图

ADC0809时序图如图2-6所表示。

开启ADC0809后,EOC约在10s后才变为低电平,因而在用START开启0809转换器后,不能马上经过检测EOC来判断转换是否结束,而应等候约10s再检测,不然会出现错误结果。医学信号数据采集系统设计专家讲座第26页图2-6ADC0809时序图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第27页ADC0809与单片机8031接口电路

ADC0809输出带有三态输出缓冲锁存器，因而不加I/O接口芯片，能够直接接到微机系统总线上。ADC0809时钟信号（CLOCK)由8031ALE端输出脉冲（其频率为8031时钟频率1/6)经二分频得到，8031由地址线P2.0和读写控制线开启ADC0809START、地址锁存ALE和输出允许OE信号。A/D转换结束信号EOC反相后连至8031INT1（P3.3)。模拟输入通道地址译码输入信号A，B，C由P0.0～P0.2提供。依据以上连接，0809地址为FEFFH。医学信号数据采集系统设计专家讲座第28页图2-7ADC0809与单片机8031接口电路医学信号数据采集系统设计专家讲座第29页A/D转换惯用软件控制方式

惯用控制方式主要有：程序查询方式、延时等候方式和中止方式。1．程序查询方式

微处理器向A/D转换器发出开启信号后，读入转换结束信号，查询转换是否结束；若转换结束，能够读入数据；不然再继续查询，直至转换结束再读入数据。

微机"查询”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。医学信号数据采集系统设计专家讲座第30页A/D转换惯用软件控制方式2．延时等候方式

开启A/D后，依据A/D转换所需时间（如ADC0809为100s)软件延时等候，延时结束，读入数据。这种方法可靠性高，不占查询端口。3．中止方式

微处理器开启A/D转换后可转去处理其它事情，A/D转换结束便向微处理器发出中止申请信号，微处理器响应中止后再来读入数据。微处理器与A/D转换器并行工作，提升了工作效率。医学信号数据采集系统设计专家讲座第31页ADC0809与单片机8031接口实例

以下列图示ADC0809与单片机8031接口电路,给出查询、延时和中止这三种方式下转换程序。

转换程序是将由IN0端输入0～5V模拟信号转换为对应数字量00H～FFH,然后再存入8031内部RAM30H单元中。医学信号数据采集系统设计专家讲座第32页a. 查询方式

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

;赋通道0地址 MOVX@DPTR,A;开启IN0转换 MOV R2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延时,等候EOC变低WAIT:JB P3.3,WAIT;查询,等候EOC变高 MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;结果存30H医学信号数据采集系统设计专家讲座第33页b. 延时等候方式

MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H;赋通道0地址 MOVX@DPTR,A;开启IN0转换

MOV R2,#40HWAIT:DJNZ R2,DLY;延时约120uS MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;结果存30H医学信号数据采集系统设计专家讲座第34页c.中止方式

主程序：MAIN: SETB IT1;选INT1为边缘触发 SETB EX1;允许INT1中止 SETB EA;打开中止 MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H MOVX@DPTR,A;开启A/D转换 ;执行其它任务医学信号数据采集系统设计专家讲座第35页中止服务程序INT1: PUSH DPL;保护现场 PUSH DPH PUSHA MOV DPTR,#0FEFFH MOVX A,@DPTR;读转换结果 MOV 30H,A;结果存30H MOV A,00H MOVX @DPTR,A;开启下一次转换 POP A POP DPH POP DPL;返回现场 RETI;返回医学信号数据采集系统设计专家讲座第36页AD574芯片及其接口

AD574是12位快速逐次迫近型A/D转换器，其最快转换时间为25s，转换误差为1LSB。AD574含有下述几个基本特点：片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少;数字量输出含有三态缓冲器，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，接成单极性方式时，输入电压范围为0~10V或0~20V，接成双极性方式时，输入电压范围为-5V~5V,-10V~10V。医学信号数据采集系统设计专家讲座第37页图2-8AD574原理与引脚图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第38页AD574原理与主要引脚信号定义

CS:片选信号，低电平有效。CE:片使能信号，高电平有效。R/C:读/开启信号，高时读A/D转换结果，低时开启A/D转换。12/8:输出数据长度控制信号，高为12位，低为8位。STS:工作状态信号，高为正在转换，低为转换结束。医学信号数据采集系统设计专家讲座第39页A0：有两种含义：当R/C为低时，A0为高，开启8位A/D转换;A0为低，开启12位A/D转换。当R/C为高时，A0为高，输出低4位数据;A0为低，输出高8位数据上述5个信号组合所对应A/D转换器状态见表2-2所表示。STS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。REFIN：基准输出线。BIPOFF：单极性赔偿。DB11～DB0：12位数据线。10VIN，20VIN：模拟量输入端。医学信号数据采集系统设计专家讲座第40页表2-2AD574操作表2-2AD574操作医学信号数据采集系统设计专家讲座第41页

AD574与8031单片机接口电路

依据AD574各引脚功效,8031单片机与AD574接口电路可按如图2-9所表示电路来安排。因为8031高8位地址P2.0~P2.7没有使用,故可采取存放器间接寻址方式。其中开启A/D地址为1FH,读出低4位数地址为7FH,读出高8位数地址为3FH。医学信号数据采集系统设计专家讲座第42页图2-9AD574与8031单片机接口电路医学信号数据采集系统设计专家讲座第43页AD574与8031单片机接口电路

图中STS可有三种接法以对应三种控制方式：(1)如STS空着，单片机只能采取延时等候方式，在开启转换后，延时25s以上时间，再读入A/D转换结果;(2)如STS接单片机一条端口线，单片机就能够用查询方法等候STS为低后再读入A/D转换结果;(3)如STS接单片机外部中止线，就能够在引发单片机中止后，再读入A/D转换结果。医学信号数据采集系统设计专家讲座第44页采取延时等候方式控制程序清单：MOV R0，#1FH ;开启MOVX @R0，AMOV R7，#10H ;延时DJNZ R7，$MOV R1，#7FH ;读低4位MOVX A，@R1MOV R2，A ;存低4位MOV R1，#3FH ;读高8位MOVX A，@R1 MOV R3，A ;存高8位SJMP $医学信号数据采集系统设计专家讲座第45页单极性模拟输入方式接线调整

单极性模入方式(图2-9)中，10VIN输入电压范围为0V～＋10V，1LSB对应模拟电压为2.44mV；20VIN输入电压范围为0V～20V，1LSB对应模拟电压为4.88mV。R1用于零点调整，R2用于满刻度校准。方法为：

如输入电压接10VIN端，调整R1，使输入模拟电压为1.22mV（即1／2LSB)时，输出数字量从000000000000变到000000000001；

调整R2，使得输入电压为9.9963V时，数字量从111111111110变到111111111111。医学信号数据采集系统设计专家讲座第46页双极性模拟输入方式调整

对于双极性模入方式，把REFIN，REFOUT，和BIPOFF三个引脚接线按图2-10重新安排，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。需要注意是，输入模拟量与输出数字量之间对应关系为:10VIN端输入时:－5V→0V→十5V对应000H→800H→FFFH20VIN端输入时:一10V→0V→十10V对应000H→800H→FFFH医学信号数据采集系统设计专家讲座第47页图2-10AD574双极性模拟输入接线方式

医学信号数据采集系统设计专家讲座第48页MAX1241芯片及其接口

以串行数据形式输出A/D转换器含有引脚少、体积小特点;接口所需I／O位数也比较少。有利于提升仪器集成度和减小体积，能方便、廉价地实现需要进行模拟与数字隔离场所。

串行输出A／D转换器虽有各种型号，接口时序也有所不一样。但接口实现和控制方法还是基本相同。现以MAX1241为例来说明串行输出ADC接口技术。医学信号数据采集系统设计专家讲座第49页MAX1241串行输出单片ADC介绍

MAX1241是一个低功耗、低电压12位逐次迫近型ADC,最大非线性误差小于1LSB,转换时间9s。采取三线式串行接口,内置快速采样／保持电路。其结构和引脚定义如图2-11所表示。

图2-11MAX1241内部结构和管脚定义

医学信号数据采集系统设计专家讲座第50页MAX1241串行输出单片ADC介绍MAX1241采取8引脚DIP或SO形式封装,完善内部电路几乎不需要外围器件即能工作。

内置采样/保持电路在A／D转换开始时,自动捕捉信号,最大捕捉时间1.5s。12位逐次迫近型ADC并行输出经输出移位存放器变换为串行输出,整个工作过程受控于三线串行接口。医学信号数据采集系统设计专家讲座第51页表2-3MAX1241管脚功效

MAX1241采取单电源供电，动态功耗在以每秒73K转换速率工作时，仅需0.9mA电流。在停顿转换时，可经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1A。医学信号数据采集系统设计专家讲座第52页MAXI241工作时序

MAXI241工作时序（图2-12)：每次转换由芯片选通信号下降沿触发，但此时驱动时钟SCLK必须为低。A／D转换开启后，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DOUT变低。在整个转换期内,SCLK应保持低电平。转换结束时DOUT由低变高。

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。医学信号数据采集系统设计专家讲座第53页图2-12MAX1241工作时序

医学信号数据采集系统设计专家讲座第54页MAXI241工作时序

对MAX1241转换结果输入在转换结束后进行,由驱动时钟SCLK下降沿触发一位数据输出。

在下一个SCLK脉冲下降沿到来前,该位数据将一直保持在DOUT输出端上。

数据输出从最高位开始,每个SCLK脉冲下降沿输出一位。第12个SCLK下降沿输出最低位。在数据输出周期内,必须保持低电平,若在第13个SCLK下降沿后,仍保持低电平,DOUT则一直保持为低电平。医学信号数据采集系统设计专家讲座第55页2.MAX1241与8031／51接口MAX1241与微机接口实现有二种选择，一是使用普通端口，利用程序实现串行输入。另一个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。（l)MAX1241与8031/51通用I／O方式接口：MAX1241与8031/51通用I／O接口如图2-13所表示。接口使用三位通用I／O端口P1.0～P1.2。其中P1.0用于片选信号，P1.1产生驱动脉冲SCLK，P1.2为数据输入。医学信号数据采集系统设计专家讲座第56页医学信号数据采集系统设计专家讲座第57页

控制程序以下：控制子程序完成一次A/D转换和输入，输入数据存放于R0，R1存放器。;存放器及端口定义：CS： BIT P1.0 ;片选信号位DOUT： BIT P1.2 ;串行数据输入位SCLK： BIT P1.1 ;驱动时钟位DATA_BH： EQU R0 ;高字节数据存放单元DATA_BL： EQU R1 ;低字节数据存放单元CONT_H： EQU R0 ;高位取数计数器CONT_L： EQU R1 ;低8位取数计数器医学信号数据采集系统设计专家讲座第58页；控制子程序SADC_R：XRL A，A ；清AMOV CONT_H，＃04H；高8位计数 MOV CONT_L，＃08H；低8位计数 CLRSCLK ；SCLK置"0” CLRCS ；选中1241，开启转换SADCEND：JNB DOUT，SADC_END；检测A/D转换结束READ_H：SETB SCLK CLR SCLK ；产生一个驱动时钟MOVC，DOUT ；输入一位数据RLCA ；数据移位至ACC．0DJNZ CONT_H，READ_H；高4位输入结束判别MOV DATA_BH，A ；高4位数据送存放器医学信号数据采集系统设计专家讲座第59页READ_L：SETB SCLK CLR SCLK ;产生一个驱动时钟MOVC，DOUT ;输入一位数据RLC A ;数据移位置ACC．0DJNZ CONT_L，READ_L;低8位输入结束判别MOV DATA_BL，A ;低8位数据送存放器SETB SCLK CLR SCLK ;清DOUT输出SETB CS ;撤消片选RET医学信号数据采集系统设计专家讲座第60页（2)MAX1241与8031／51串行接口

当使用8031／51串行口实现与MAX1241联接时，串行口应工作于同时移位存放器方式（方式0)。此时，串行口接收数据端RXD（P3.0)被用于接收MAX1241输出数据。而发送数据端TXD（P3.1)则被用于提供驱动时钟，为满足时序要求；应将其反相。片选信号仍使用P1.0。接口电路如图2-14所表示。医学信号数据采集系统设计专家讲座第61页医学信号数据采集系统设计专家讲座第62页8031/51串行接口控制程序

因为8031/51串行口一次只能接收8位数据,故12位A／D转换结果必须分二次接收。

同前述程序直接输入一样,控制程序必须检测A／D转换结束信号,即DOUT上跳变,只要当DOUT变为高电平后,方能开启串行接收。

接口控制程序以下所表示:医学信号数据采集系统设计专家讲座第63页MAX1241ADC串行接口控制子程序;存放器及端口定义CS： BITP1.0EOC：BITP3.0DATA_BH：EQUR0 ;接收数据高位存放存放器DATA_BL：EQUR1 ;接收数据低位存放存放器

;串行口设置子程序SPOR_SET：CLRES ;禁止串行中止MOVSCON，＃00H;串行口为方式0，停顿接收SETBCS ;禁止ADCRET医学信号数据采集系统设计专家讲座第64页;接口控制子程序SAD_SR：CLRCS ;开启A／D转换AD_NEND：JNBEOC，AD_NEND ;等候转换结束SETB REN ;开启串行接收FR_NEND：JNBRI，FR_NEND ;等候接收结束MOVDATA_BH，SBUF ;从串行数据缓冲器输

入高8位数据CLRRI ;开启第二次接收SR_NEND：JNBRI，SR_NEND ;等候接收结束MOVDATA_BL，SBUF ;从串行数据缓冲器

输入低4位数据CLRREN ;停顿接收SETBCS ;禁止ADCRET医学信号数据采集系统设计专家讲座第65页2.1.3 积分式ADC

大多用于低速、廉价积分型A／D转换器中,几乎无一例外地采取了十进制编码方式,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、廉价但高精度、强抗干扰集成A/D转换器以其优良性能价格比被广泛应用于低速测量领域。医学信号数据采集系统设计专家讲座第66页1.MC144333位双积分ADCMC14433是具备零漂赔偿和采取CMOS工艺制造3位单片双积分A/D转换器，最大输出数码1999，含有功耗低、输入阻抗高和自动调零、自动极性转换功效。其转换精度为土（0．05％Vi＋1LSB)，输入电阻大于100M,对应时钟频率范围为50～150kHz，转换速度为每秒3～10次。内部结构框图及管脚功效如图2-15所表示。医学信号数据采集系统设计专家讲座第67页图2-15MC14433ADC结构框图及管脚功效

医学信号数据采集系统设计专家讲座第68页MC14433采取土5V供电电源，只需一个正基准电压VR，其与输入电压Vi成以下百分比关系

输出读数=1999（2-1)

当满量程时Vi=VR。Vi输入有2V和200mV两个量程挡。当满度电压为1．999V时，VR取2．000V；当满度电压为199．9mV时，VR取200．0mV。当然，也可依据需要在200mV～2V之间任意选择VR值，此时，读数一个LSB所对应输入电压则需经过式2-1求得。

医学信号数据采集系统设计专家讲座第69页MC14433输出时序

MC14433由内部电路自动控制转换,无需外加开启信号，输出数据经过Q3～Q0输出端，逐位输出BCD码，并不停重复。并经过DS1～DS4指明现行输出BCD码是十进制位中某一位(千位~个位)。A/D转换结束，在EOC端输出一正脉冲，宽度为一个时钟周期。输出数据更新需经过DV端正跳变信号实现，通常将EOC与其短接。其整个输出时序如图2-16所表示。在千位输出时，携带输出极性及超量程信息，如表2-4所表示。医学信号数据采集系统设计专家讲座第70页图2-16MC14433输出时序医学信号数据采集系统设计专家讲座第71页MC14433千位编码定义

表2-4MC14433千位编码定义

医学信号数据采集系统设计专家讲座第72页2.MC14433ADC与8031／51接口MC14433输出不含有三态缓冲,故必须经过接口方可挂接于微机总线。对于8031／51单片机而言,最简接方法是直接与其I/O端口相连。因MC14433为低速ADC,所以宜采取中止方式接口。图2-17给出了其与8031/51接口电路。医学信号数据采集系统设计专家讲座第73页

图2-17MC14433ADC与8031/51接口

图2-18数据格式

医学信号数据采集系统设计专家讲座第74页MC14433ADC与8031／51接口

接口使用P1口,高4位输入BCD码,低4位输入位选信号DS1～DS4。EOC下跳沿触发中止。按MC14433输出时序和接口形式,控制程序以下所表示。

控制程序由中止开启,每次输入一个完整转换结果,并存入8031／51内部RAM。存入数据格式如图2-18所表示。医学信号数据采集系统设计专家讲座第75页2.1.4 并行或特高速ADC

在高速数据采集领域,如图像处理、频谱分析等,双积分式和逐次迫近型A／D转换器转换速度都不能满足要求。

并行型A／D转换器速度高,它将输入模拟电压Vi与一系列标准电压同时进行比较,将比较结果经过编码后得到二进制数据。医学信号数据采集系统设计专家讲座第76页并行或特高速ADC原理3位二进制并行型A／D转换器(图2-19)由标准电压源经电阻分压后得到m（m＝2n-1)个标准电压（n是转换后得到二进制位数);

每一个分压后标准电压与输入模拟电压Vi同时（并行)进行比较，若输入模拟电压大于标准电压，则对应比较器输出为“真”（即为“1”)，反之为“假”（即“0”)；

经数字编码后，输出即为等效于输入模拟量二进制数据。

一个n位二进制并行型A／D转换器需要m（m＝2n-1)个比较器。医学信号数据采集系统设计专家讲座第77页图2-19并行型A／D转换器原理图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第78页几点说明:①由图可知，并行型A/D转换器精度取决于几个原因：

分压电阻精度要高，主要是一致性要好；

比较器灵敏度要能判别两个相邻标准电压；

标准电压源VR精度也有一定要求。②并行ADC速度主要取决于比较器响应速度及数据存放器（D触发器)响应时间。③n位并行型ADC转换器需要（2n－1)个比较器，成本相当昂贵。医学信号数据采集系统设计专家讲座第79页并行型A/D转换器应用

输入信号是双极性时,只需将参考电压接地端改接为"负"电源端。

这种转换器速度极快,但结构复杂,无法做到高精度,价格也非常昂贵,如图像处理及模式识别等领域。因为模式识别及图像处理一帧画面有数以2.2万计像素,为了适应视觉要求必须每秒钟处理几十帧画面。假如每秒钟处理30个画面,则相当每秒钟要对6.6兆个像素进行处理,所以对A/D转换速度要求极高。医学信号数据采集系统设计专家讲座第80页2.2 模拟量输出通道

模拟量输出通道作用是将经智能化医学仪器处理后数据转换成模拟量送出,它是许多智能设备主要组成部分。模拟量输出通道普通由D／A转换器、多路模拟开关、采样／保持器等组成。本节侧重讨论D／A转换器及其与微处理器接口。医学信号数据采集系统设计专家讲座第81页2.2.1 D／A转换器概述

一、D/A转换原理D／A转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成,当前基本都已集成于一块芯片上。为了便于接口,有些D／A芯片内还含有锁存器。D／A转换器组成原理有各种,采取最多是R－2R梯形网络D／A转换器,图2-20显示了一个4位D／A转换器原理图。医学信号数据采集系统设计专家讲座第82页D/A转换原理普通由D/A转换器,多路模拟开关,采样/保持器等组成.作用是将经智能仪器处理后数据转换成模拟量送出.一、D/A转换原理（图2-20)

由电阻网络,开关及基准电源等组成. UR Uo=-(23D3+22D2+21D1+20D0) 24医学信号数据采集系统设计专家讲座第83页R-2R梯形网络D/A转换器原理

图2-20R-2R梯形网络D/A转换器原理

医学信号数据采集系统设计专家讲座第84页二、D/A转换器主要技术指标

分辨率:当输入数字发生单位数码改变时所对应模拟量输出改变量.转换精度: 在整个工作区间实际输出电压与理想输出电压之间偏差.转换时间:通常为几十个纳秒.尖峰误差:指输入代码发生改变时刻,而使输出模拟量产生尖峰所造成误差.医学信号数据采集系统设计专家讲座第85页D/A转换器尖峰误差及消峰原理

医学信号数据采集系统设计专家讲座第86页三、D／A转换电路输入与输出形式

D/A数字量输入端能够分为:1.不含数据锁存器(需外加数据锁存器).2.含单个数据锁存器.3.含双个数据锁存器(用于多个D/A同时转换场所).D/A输出电路分为:1.单极性电路 图2-222.双极性电路 图2-23医学信号数据采集系统设计专家讲座第87页UOUT=-（VREF/28)D医学信号数据采集系统设计专家讲座第88页UOUT=-（2U1+VREF)医学信号数据采集系统设计专家讲座第89页2.2.2D/A转换器与微机接口

8位D/A转换器DAC0832及其与微机接口

八位D/A转换器DAC0832及其与微机接口

内部含有双输入数据锁存器8位D/A器件（图2-24)。 1. 单缓冲接口电路（图2-25)程序:MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#DATA MOVX @DPTR,A医学信号数据采集系统设计专家讲座第90页医学信号数据采集系统设计专家讲座第91页医学信号数据采集系统设计专家讲座第92页双缓冲接口程序MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,R2 MOVX @DPTR,A ;数据送1#0832输入存放器 MOV DPTR,#0FDFFH MOV A,R3 MOVX @DPTR,A;另一数据送2#0832输入存放器 MOV DPTR,#0FBFFH MOVX @DPTR,A ;1#、2#D/A转换器同时输出医学信号数据采集系统设计专家讲座第93页医学信号数据采集系统设计专家讲座第94页二、12位D/A转换器DAC1208与微机接口

双缓冲,12位D/A器件.第一级缓冲由8位输入存放器和4位输入存放器组成.第二级缓冲为12位DAC存放器.字节控制信号： =1;12位数字量同时送入输入存放器；BYTE1/BYTE2 =0;只将12位数字量中低4位送到对应4位输入存放器。其余控制类似DAC0832（图2-27)：医学信号数据采集系统设计专家讲座第95页图2-27DAC1208与8031单片机接口示意图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第96页DAC1208与8031单片机接口

设有一个12位待转换数据存放在地址DATA及DATA＋1单元中，其存放次序为：（DATA)存高8位数据，（DATA＋1)存低4位数据（存放在该单元低半字节上)。则把这个数据送往D／A转换器程序段为：医学信号数据采集系统设计专家讲座第97页DAC1208与8031单片机接口MOVDPTR，＃0FDFFH;(CS=0,BYTE1=1)MOVA，DATAMOVX＠DPTR，A ;输出高8位数据DECDPH;(CS=0,BYTE2=0)MOVA，DATA＋1MOVX＠DPTR，A ;输出低4位数据MOVDPTR，＃7FFFH;(XFER=0) MOVX@DPTR，A ;12位数据同时送DAC存放器医学信号数据采集系统设计专家讲座第98页2.2.3D/A转换器应用举例

一、锯齿波产生(图2-25、28) MOVDPTR,#0FEFFH MOVA,#00HLOOP:MOVX@DPTR,A INC A MOVR0,#DATA DJNZR0,$ SJMPLOOP医学信号数据采集系统设计专家讲座第99页图2-28连续锯齿波形图医学信号数据采集系统设计专家讲座第100页二、任意波形产生

可采取事先存放数据然后次序输出方法来实现。

双极性输出,将360°分为256个点,每2点间隔约为1.4°。然后计算每个点电压所对应数字量，并列成表格编入程序中（图2-29、图2-30)。医学信号数据采集系统设计专家讲座第101页图2-29DAC0832双极性输出形式接口电路

医学信号数据采集系统设计专家讲座第102页图2-30正弦波计算制表示意图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第103页详细输出程序段以下： MOV R5，＃00H ;计数器赋初值SIN： MOVA，R5 MOV DPTR，#TABH MOVCA，＠A＋DPTR ;查表得输出值 MOVDPTR，＃7FFFH ;指向0832 MOVX＠DPTR，A ;转换 INC R5 ;计数器加一 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 ……医学信号数据采集系统设计专家讲座第104页2.3医学信号数据采集系统计

2.3.1数据采集系统组成

数据采集系统(图2-31)由多路开关、采样/保持器、放大器、A/D转换器、计算机等组成。

数据采集要经过采样和量化两个步骤。采样过程由多路开关、采样/保持器完成(如信号改变很慢,也能够不用采样/保持器)。

多路开关将各路信号轮番切换到输入端。A/D转换器将采样信号量化,将转换成数字量输入到计算机中。

放大器、滤波器可依据被测信号大小、频谱分布及干扰强弱选取。医学信号数据采集系统设计专家讲座第105页图2-31多通道数据采集系统原理框图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第106页模拟多路开关及接口

多路开关:把模拟信号分时地送入A/D转换器,完成多到一转换。多路分配器:将经计算机处理数据由D/A转换成模拟信号,按一定次序输出到不一样控制回路中去,完成一到多转换。CD4051(双向8路),图2-32,真值表2-5;

电平转换实现CMOS到TTL逻辑电平转换;

数字量:3~20V,模拟量:峰值达20V;

改变IN/OUT及OUT/IN传递方向,可用作多路开关和多路分配器。医学信号数据采集系统设计专家讲座第107页图2-32CD4051内部结构图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第108页表2-5CD4051真值表

扩展16路多路开关见图2-33:医学信号数据采集系统设计专家讲座第109页图2-33CD4051多路开关组成16路模拟开关原理图

医学信号数据采集系统设计专家讲座第110页采样/保持器

在A/D转换过程中,需要在稳定时间内模拟信号应保持在采样时函数值不变.所以需加入S/H电路.若输入模拟量是直流或频率很低可省去。

采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。

在采样方式下，S/H输出必须跟踪模拟输入电压;

在保持方式下，S/H输出将保持采样命令发出时刻电压输入值，直到保持命令撤消为止。经典芯片为LF398。医学信号数据采集系统设计专家讲座第111页图2-34采样/保持器电路

图2-34是采样/保持器电原理图。图中A1为高输入阻抗场效应管组成放大器，A2为输出缓冲器，开关K是工作方式控制开关。

当开关闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，此时为采样工作方式;

当开关K断开时为保持方式，因为运算放大器输入阻抗很高，电容器保持充电最终值。医学信号数据采集系统设计专家讲座第112页采样/保持器质量技术指标

1．捕捉时间tAC

捕捉时间是从采样开始到采样/保持器输出电压到达精度指标（与被测电压误差在0.1%~0.01%范围之内)所需时间2．孔径时间tAP

从发出保持命令到保持开关真正断开所需要时间，医学信号数据采集系统设计专家讲座第113页采样/保持器质量技术指标3.保持建立时间tS

采样/保持器进入保持状态后，需要经过保持建立时间tS，输出才能到达稳定。4.孔径抖动tAJ

孔径抖动亦称孔径不确定度，表示tAP改变范围。5.衰减率

在保持状态下，因为保持电容漏电流和其它杂散漏电流，引发保持电压下降。医学信号数据采集系统设计专家讲座第114页LF198/298/398原理

LF198/298/398(图2-35)是场效应管组成采样保持电路，它含有采样速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。当保持电容为1F时，其下降速度为5mV/min，电压精度可达0.01%。

图中，当逻辑控制端IN（+)为1时为采样状态，此时S闭合，输出跟随输入改变；当IN（+)为0时，呈保持状态，此时S打开，输出保持不变。医学信号数据采集系统设计专家讲座第115页图2-35LF198/298/398原理

医学信号数据采集系统设计专家讲座第116页2.3.2单片机数据采集系统举例

图2-36是一个16路数据采集系统，由单片机8031.16路模拟开关AD7506、采样保持器LF398、模数转换器AD574等组成。

单片机8031控制管理整个数据采集系统。

由模拟开关AD7506可将16路输入信号(0~10V)，分时地接入到系统中。LF398对输入信号进行采样，将采保信号送入模数转换器AD574中。AD574是12位逐次迫近式模数转换器，转换速度为25sAD574管脚2（12/8）接+5V，接成12位转换形式，单极性输入。医学信号数据采集系统设计专家讲座第117页数据采集系统工作过程

8031单片机经过P1口，控制模拟开关AD7506输入通道选通端A0、A1、A2.A3，能够按次序选通16个输入通道，也能够依据需要有选择地接通输入信号。

单片机同时给采样保持器LF398控制端8脚发高电平，使之进入采样状态。待LF398捕捉到输入信号后，单片机给LF3988脚发低电平保持命令,同时开启AD574进行A/D转换，即8031经过P0口经74LS373锁存器使AD574A0=0，R/C=0。单片机就进入等候状态。医学信号数据采集系统设计专家讲座第118页

当AD转换结束时，AD574STS=0，8031经过P3.3（INT1)查询到转换结束后，开始读取数据，先读高8位数据，再读低4位数据，分两个字节送到8031单片机内部RAM中。

利用MCS-51汇编语言编制数据采集系统程序见P.48。数据采集系统工作过程医学信号数据采集系统设计专家讲座第119页医学信号数据采集系统设计专家讲座第120页2.3.3基于PC机数据采集系统

基于PC机数据采集系统含有采集信息量大;人机界面美观;数据处理简便;软件设计简单等优点。

利用PC机对医学信号采集能够实现：信号实时采集;波形或参数实时显示;数据实时处理等功效。PC机及数据采集卡价格越来越低，基于PC机数据采集系统日益广泛使用。

介绍PC-6330D模入接口卡使用方法。医学信号数据采集系统设计专家讲座第121页一.硬件结构PC-6330D模入接口卡适合用于含有ISA总线PC系列微机,兼容性好,CPU从64位直到早期16位处理器均可适用,操作系统可选取MS-DOS、流行Windows系列及高稳定性Unix等和专业数据采集分析系统LabVIEW等软件。

硬件安装上尤其适合用于对接口卡尺寸有严格要求便携机。使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中,信号电缆从机箱外部直接接入。PC-6330D模入接口卡模拟信号由卡前端25芯D型插头输入。允许采取16路单端输入方式。用户可依据需要选择测量单极性信号或双极性信号。为方便用户外接放大器需要,该卡由插头可外供+5v和+12v电源。医学信号数据采集系统设计专家讲座第122页PC-6330D模入接口卡医学信号数据采集系统设计专家讲座第123页1.主要技术参数输入通道数：单端16路输入信号范围：0v--10v*;-5v--+5v(标*为出厂标准状态，下同)放大器增益：*1倍输入阻抗：≥10MΩA/D转换分辨率：12位A/D转换速度：10μSA/D开启方式：程序开启A/D转换方式：查询或中止方式中止IRQ3、IRQ4、IRQ5.IRQ6、IRQ7可选A/D转换非线性误差：1LSB医学信号数据采集系统设计专家讲座第124页主要技术参数A/D转换输出码制：单极性原码*/双极性偏移码系统综合误差：≤0.2%F.S电源功耗：+5v(±10%)≤500mA-5v(±5%)≤10mA+12v(±10%)≤50mA-12v(±10%)≤30mA使用环境要求：工作温度：10°C--40°C相对湿度：40%---80%存放温度：-55°C---+85°C医学信号数据采集系统设计专家讲座第125页2.工作原理PC—6330D模入接口卡由模拟多路开关、差分放大器、模数转换及接口控制逻辑电路组成。工作原理见下列图。医学信号数据采集系统设计专家讲座第126页工作原理模拟多路开关电路:

模拟多路开关由2片CD4051组成，能够从16路单端信号中任选一路，送入差分放大器处理。差