数据采集系统设计.ppt

1、数字医疗设备、第二章医疗信号数据收集系统设计，数据收集系统将人体各种物理量(例如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电图、脑电、神经传导速度等)转换为电信号，通过放大、过滤、干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，实现模拟电压或电流传输模式同样，微处理器处理的数据(如图2-1所示)通常需要使用编号/模块转换器(D/A)和自适应接口转换为模拟传输。模拟输入/输出通道示意图、A/D转换器及其接口统称为模拟输入通道；D/A转换器及其接口称为模拟输出通道。2.1模拟输入通道2.1.1 A/D转换器概述，A/D转换器是将模拟数字转换为数字体积的设备，该模拟包括电压、电流、时间等参数，但通常指电压参数。

2、在A/D转换过程中，通常完成采样、量化和编码三个阶段。1采样，要采样的模拟信号是连续的，可以看作无限数量的瞬时值。A/D转换和计算机处理需要时间，不可能将每个瞬间的值转换为数字量。表示此模拟的某些瞬时值必须在连续变化的模拟中逐周期采样，此过程是采样。采样通过保持采样电路来实现，采样器(电子模拟开关)在控制脉冲s(t)的控制下周期性地将随时间变化的模拟信号f(t)转换为随时间变化的离散模拟信号fs(t)。仅在采样时刻允许输入信号f(t)通过采样器，其他时间中断。取样器的输出fS(t)是窄脉冲序列，脉冲的包络与输入信号相同。图2-2取样器输入输出波形，输出信号能如实反映原始输入信号吗？采样信号fs

3、(t)的值和原始输入信号f(t)的瞬时值相同，因此采样信号在测量结果中继续连续。可以证明。如果取样器的采样频率fs等于或大于输入信号的最大频率FM的两倍(fs 2fm)，则采样输出信号fs(t)(取样器脉冲序列)可以由采样定理输入模拟信号f(t)代表或还原。如何知道输入信号f(t)的频率，尤其是最大频率FM？信号“最大频率”表示输入信号通过频谱分析获得的最大频率分量。“恢复”是指示例序列fS(t)通过截止频率为FM的理想低通滤波器后所获得的原始信号f(t)。应用程序中的典型采样频率fs是最大频率FM的48倍。简单模拟信号的频谱范围已知，例如温度低于1Hz，声音为20Hz20000Hz。可以用傅

4、立叶变换或频谱分析器测量复杂的信号，并选择最合适的fs。2.量化，所谓量化是以一定的量化单位将数字上的连续模仿变成数字上的离散步数的过程。量化就像获取近似整数商的除法运算。量化单位用q表示，对于模拟小于1 q的部分，可以通过舍去进行全部量化，通常通过“四舍五入”方式进行全部量化以减少误差。该量化方法的输入和输出特性如图2-3所示，在图中，虚线表示量化单位为0时的特性，实线表示实际特性。图2-3量化特性和量化误差，量化过程舍入误差是量化误差。量化错误是具有正负(图2-3(c)的=x(t)-y(t)，最大q/2和平均误差为零。最大误差取决于量化单位，q越小越小。3编码，编码经常涉及A/D转换的特定

5、应用，考虑双极信号时可以使用互补方法。2 A/D转换器的规格1分辨率，A/D转换器的分辨率：转换器具有区分最小量化信号的功能。分辨率取决于A/D转换器中的位数，按照惯例，以输出二进制数字的位数显示。ADC0809转换器的分辨率为8位时，如果1LSB(最小有效位值)分辨率和最大允许输入电压为10V，则可以将输入模拟数量化为28个二进制数，即1LSB=10V/28=39.06mV。2 .反映实际A/D转换器和理想A/D转换器量化值之间差异的转换精度。以绝对或相对误差表示(1)绝对精度生成A/D输出中指定的数字代码，表示实际所需模拟输入值与理论所需模拟输入值之间的差异(中间模拟值)。(2)相对精度表

6、示校正A/D满值后与任意数字输出相对应的实际仿真输入值(中间值)和理论值(中间值)之间的差异。3转换速度，转换速度：表示每秒A/D转换器可以完成的转换数。该指示器还可以表示转换时间，即A/D转换从开始到结束的时间，这两者都是倒数。例如，A/D转换器的转换速度为5KHz，转换时间为200s。4 .总尺度范围，总尺度范围：表示A/D允许的输入电压范围。(05)V、(010)V、(-5) v等。完整刻度仅是公称值，实际A/D转换器的最大输入值始终比完整刻度小1/2n(n是转换器的位数)。这是因为0值也是2n个转换器状态之一。例如，总刻度值为10V的12位A/D转换器和实际允许的最大输入电压值为： 10V*212-1/212=9.9976V。A/D转换器类型，通常使用三种类型：连续逼近、积分和平行。连续近似：转换时间和转换精度比较合适。转换时间通常在1100s之间，转换精度通常小于0.1%，适用于一般情况。集成：转换时间通常位于ms级别。适用于精度高，但转换速度慢的设备。可并行比较的：可用于转换时间快到ns级、转换速度快的装置，例如医疗图像处理。2.1.2连续近似ADC连续近似A/D原理概述、n位连续近似A/D转换器(图2-4)、n位寄存器、n位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出缓冲区等。工作原理：信号工