1、數(shù)字化醫(yī)療儀器,第二章 醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)信號(hào)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、神經(jīng)傳導(dǎo)速度等，采用各種傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)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(jī)使用的數(shù)字量供系統(tǒng)處理。 同樣，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，如圖2-1所示。,模擬量輸入/輸出通道示意,A/D轉(zhuǎn)換器及其接口統(tǒng)稱(chēng)為模擬量輸入通道； D/A轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)接口稱(chēng)為模擬量輸出通道。,2.1 模擬量輸入通道

2、2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器概述,一概述 A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電流、時(shí)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(guò)程中通常要完成采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。,1 采樣,待采樣的模擬信號(hào)是連續(xù)的，可看成無(wú)限多個(gè)瞬時(shí)值組成，而A/D轉(zhuǎn)換以及計(jì)算機(jī)處理需要一定的時(shí)間，不可能把每一個(gè)瞬時(shí)值都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。必須在連續(xù)變化的模擬量上按周期取樣的規(guī)律取出某一些瞬時(shí)值來(lái)代表這個(gè)模擬量，這個(gè)過(guò)程就是采樣。 采樣是通過(guò)采樣保持電路實(shí)現(xiàn)的，采樣器（電子模擬開(kāi)關(guān)）在控制脈沖s(t)的控制下，周期性地把隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)f(t)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間上的離散的模擬信號(hào)fs(

3、t)。,僅在采樣瞬間允許輸入信號(hào)f(t)通過(guò)采樣器，其它時(shí)間斷開(kāi)。采樣器的輸出fS(t)是一串窄脈沖，脈沖的包絡(luò)線(xiàn)是與輸入信號(hào)相同的。,圖2-2 采樣器輸入輸出波形,輸出信號(hào)能否如實(shí)反映原始輸入信號(hào)？,采樣得的信號(hào)fs(t)的值和原始輸入信號(hào)f(t)在相應(yīng)的瞬時(shí)值相同，因此采樣后的信號(hào)在量值上仍然是連續(xù)的。 可以證明：當(dāng)采樣器的采樣頻率fs高于或至少等于輸入信號(hào)最高頻率fm的兩倍時(shí)（即fs 2fm時(shí)），采樣輸出信號(hào)fs(t)（采樣器脈沖序列）能代表或恢復(fù)成輸入模擬信號(hào)f(t)，這就是采樣定理。,如何知道輸入信號(hào)f(t)的頻率，特別是它的最高頻率fm ？,信號(hào)“最高頻率”指的是輸入信號(hào)經(jīng)頻譜分析

4、后得到的最高頻率分量。“恢復(fù)”指的是樣品序列fS(t)通過(guò)截止頻率為fm的理想低通濾波器后，能得到的原始信號(hào)f(t)。 在應(yīng)用中，一般取采樣頻率fs為最高頻率fm 的48倍。 簡(jiǎn)單模擬信號(hào)的頻譜范圍是已知的，如溫度低于1Hz，聲音為20Hz20000Hz。復(fù)雜信號(hào)要用傅立葉變換算出，或用頻譜分析儀測(cè)得，也可用試驗(yàn)的方法選取最合適的fs 。,2.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(guò)程。 量化相當(dāng)于只取近似整數(shù)商的除法運(yùn)算。 量化單位用q表示，對(duì)于模擬量小于一個(gè)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

5、種量化方法的輸入輸出特性如圖2-3所示，圖中虛線(xiàn)表示量化單位為0時(shí)的特性，實(shí)線(xiàn)表示實(shí)際特性。,圖2-3 量化特性和量化誤差,量化過(guò)程舍入誤差為量化誤差。以=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愈小也愈小。,3 編碼,編碼往往涉及到A/D轉(zhuǎn)換的具體應(yīng)用，若考慮為雙極性信號(hào)，可采用補(bǔ)碼方式。,二A/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:轉(zhuǎn)換器能分辨最小的量化信號(hào)的能力。 分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示。 如ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，表示可以用28個(gè)二進(jìn)制數(shù)

6、對(duì)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1LSB=10V/ 28 =39.06mV。,2. 轉(zhuǎn)換精度,轉(zhuǎn)換精度反映實(shí)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(duì)或相對(duì)誤差來(lái)表示 （1）絕對(duì)精度 指的是在A/D輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼，實(shí)際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差（中間模擬值）。 （2）相對(duì)精度 指的是A/D滿(mǎn)度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。,3轉(zhuǎn)換速率,轉(zhuǎn)換速率: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(gè)指標(biāo)也可以表述為轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換從啟動(dòng)到結(jié)束所需的時(shí)

7、間，兩者互為倒數(shù)。 例如，某A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為5KHz，則其轉(zhuǎn)換時(shí)間是200s。,4.滿(mǎn)刻度范圍,滿(mǎn)刻度范圍:指A/D所允許輸入電壓范圍。如（05）V，（010）V，（-5+5）V等。 滿(mǎn)刻度只是個(gè)名義值，實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入值總比滿(mǎn)刻度小1/2n（n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)）。這是因?yàn)?值也是2n個(gè)轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的一個(gè)。 例如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿(mǎn)刻度值為10V，而實(shí)際允許的最大輸入電壓值為: 10V*212-1/212=9.9976V。,A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi),常用的有逐次逼近式、積分式、并行式等三類(lèi)。 逐次逼近式:轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在1100s之間，轉(zhuǎn)換精度一般在

8、0.1%上下，適用于一般場(chǎng)合。 積分式:轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在ms級(jí)。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:采用并行比較，轉(zhuǎn)換速率可以很高，其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí)，可用于醫(yī)學(xué)圖象處理等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中。,2.1.2逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述,N位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器（圖2-4），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。 工作原理：?jiǎn)?dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)先通過(guò)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(gè)二進(jìn)制代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U0（此時(shí)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

9、U0，則保留這一位；若UXU0，則DN-1 位置0。,逐次逼近式A/D原理概述,DN-1位比較完畢后，再對(duì)下一位即DN-2位進(jìn)行比較，控制電路使寄存器DN-2為1，其以下各位仍為0，然后再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后再次送到比較器與UX相比較。如此一位一位地比較下去，直至最后一位D0比較完畢為止。 最后，發(fā)出EOC信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣經(jīng)過(guò)N次比較后，N位寄存器保留的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)。,圖2-4 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu),A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程已不重要,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(shí)只需發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，然后在EOC端查知A/D

10、轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，取出數(shù)據(jù)即可。 這類(lèi)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(lèi)型。,ADC0809芯片及其接口,ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它能分時(shí)地對(duì)8路模擬量信號(hào)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路輸入模擬量選擇電路； 第二部分是:一個(gè)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。,ADC0809原理結(jié)構(gòu)圖,圖2-5 ADC0809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(hào)分別接到I

11、N0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(jiàn)右表所示。 A，B，C為輸入地址選擇線(xiàn)，地址信息由ALE的上升沿打入地址鎖存器。,表2-1 ADC0809真值表,逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,START為啟動(dòng)信號(hào)，要求輸入正脈沖信號(hào)，在上升沿復(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器，在下降沿啟動(dòng)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(shí)鐘輸入信號(hào)，時(shí)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（6673）個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)時(shí)鐘頻率取640KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換一次約需100s時(shí)間，這是ADC0809所能允許的最短

12、轉(zhuǎn)換時(shí)間。,三態(tài)輸出緩沖鎖存器,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是由EOC信號(hào)打入三態(tài)輸出緩沖鎖存器。 OE為輸出允許信號(hào)，當(dāng)向OE端輸入一個(gè)高電平時(shí)，三態(tài)門(mén)電路被選通，這時(shí)便可讀取結(jié)果。否則緩沖鎖存器輸出為高阻態(tài)。,ADC0809的時(shí)序圖,ADC0809的時(shí)序圖如圖2-6所示。 啟動(dòng)ADC0809后，EOC約在10s后才變?yōu)榈碗娖?，因而在用START啟動(dòng)0809轉(zhuǎn)換器后，不能立即通過(guò)檢測(cè)EOC來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，而應(yīng)等待約10s再檢測(cè)，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。,圖2-6 ADC0809時(shí)序圖,ADC0809與單片機(jī)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

13、微機(jī)系統(tǒng)的總線(xiàn)上。 ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)（CLOCK）由8031的ALE端的輸出脈沖（其頻率為8031時(shí)鐘頻率的1/6）經(jīng)二分頻得到，8031由地址線(xiàn)P2.0和讀寫(xiě)控制線(xiàn)啟動(dòng)ADC0809的START、地址鎖存ALE和輸出允許OE信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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(hào)A，B，C由P0.0P0.2提供。根據(jù)以上連接，0809的地址為FEFFH。,圖2-7 ADC0809與單片機(jī)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(xún)方式、延時(shí)等待方式和中斷方式。 1程序查詢(xún)方式 微處理器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟

14、動(dòng)信號(hào)后，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，查詢(xún)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(xún)，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。 微機(jī)“查詢(xún)”消耗時(shí)間，效率低，但比較簡(jiǎn)單，可靠性高。實(shí)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(shí)等待方式 啟動(dòng)A/D后，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（如ADC0809為100s）軟件延時(shí)等待，延時(shí)結(jié)束，讀入數(shù)據(jù)。這種方法可靠性高，不占查詢(xún)端口。 3中斷方式 微處理器啟動(dòng)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(qǐng)信號(hào)，微處理器響應(yīng)中斷后再來(lái)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(jī)8031接口實(shí)例,以下

15、圖示的ADC0809與單片機(jī)8031接口電路，給出查詢(xún)、延時(shí)和中斷這三種方式下的轉(zhuǎn)換程序。 轉(zhuǎn)換程序是將由IN0端輸入的05V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00HFFH，然后再存入8031內(nèi)部RAM的30H單元中。,a.查詢(xún)方式,MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H ;賦通道0地址 MOVX DPTR,A ;啟動(dòng)IN0轉(zhuǎn)換 MOV R2,#20H DLY: DJNZ R2,DLY ;延時(shí),等待EOC變低 WAIT: JB P3.3,WAIT ;查詢(xún),等待EOC變高 MOVX A,DPTR MOV 30H,A ;結(jié)果存30H,b.延時(shí)等待方式,MOV DPTR,#0FEFFH MO

16、V A,#00H ;賦通道0地址 MOVX DPTR,A ;啟動(dòng)IN0轉(zhuǎn)換 MOV R2,#40H WAIT: DJNZ R2,DLY ;延時(shí)約120uS MOVX A,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(kāi)中斷 MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H MOVX DPTR,A ；啟動(dòng)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(chǎng) PUSH DPH PUSH A MOVDPTR,#0FEFFH MOVX

17、 A,DPTR ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV30H,A ；結(jié)果存30H MOVA,00H MOVX DPTR,A ；啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換 POP A POP DPH POP DPL ；返回現(xiàn)場(chǎng) RETI ；返回,AD574芯片及其接口,AD574是12位快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s，轉(zhuǎn)換誤差為1LSB。AD574具有下述幾個(gè)基本特點(diǎn)：片內(nèi)含有電壓基準(zhǔn)和時(shí)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?xún)煞N方式，接成單極性方式時(shí)，輸入電壓范圍為010V或020V，接成雙極性方式時(shí)，輸入電壓范圍為-5V5V,-10V10V。,圖2-

18、8 AD574原理與引腳圖,AD574原理與主要引腳信號(hào)定義,CS ：片選信號(hào)，低電平有效。 CE：片使能信號(hào)，高電平有效。 R/C ：讀/啟動(dòng)信號(hào)，高時(shí)讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，低時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 12/8 ：輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度控制信號(hào)，高為12位，低為8位。 STS：工作狀態(tài)信號(hào)，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(shí)，A0為高，啟動(dòng)8位A/D轉(zhuǎn)換；A0為低，啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換。 當(dāng)R/C為高時(shí)，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(gè)信號(hào)的組合所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)見(jiàn)表2-2所示。 STS：工作狀態(tài)信號(hào)，高表示正在轉(zhuǎn)換，低表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 REF IN

19、：基準(zhǔn)輸出線(xiàn)。 BIP OFF：?jiǎn)螛O性補(bǔ)償。 DB11DB0：12位數(shù)據(jù)線(xiàn)。 10VIN，20VIN：模擬量輸入端。,表2-2 AD574的操作,表2-2 AD574的操作,AD574與8031單片機(jī)的接口電路,根據(jù)AD574各引腳的功能，8031單片機(jī)與AD574的接口電路可按如圖2-9所示電路來(lái)安排。由于8031的高8位地址P2.0P2.7沒(méi)有使用，故可采用寄存器間接尋址方式。其中啟動(dòng)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2-9 AD574與8031單片機(jī)的接口電路,AD574與8031單片機(jī)的接口電路,圖中STS可有三種接法以對(duì)應(yīng)三種控制方式： (

20、1)如STS空著，單片機(jī)只能采取延時(shí)等待方式，在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，延時(shí)25s以上時(shí)間，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果； (2)如STS接單片機(jī)一條端口線(xiàn)，單片機(jī)就可以用查詢(xún)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(jī)外部中斷線(xiàn)，就可以在引起單片機(jī)中斷后，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。,采用延時(shí)等待方式的控制程序清單： MOVR0，#1FH；啟動(dòng) MOVXR0，A MOVR7，#10H；延時(shí) DJNZR7，$ MOVR1，#7FH；讀低4位 MOVXA，R1 MOVR2，A；存低4位 MOVR1，#3FH；讀高8位 MOVXA，R1 MOVR3，A；存高8位 SJMP$,單極性模擬輸入方式接線(xiàn)的

21、調(diào)整,單極性模入方式(圖2-9)中， 10VIN輸入電壓范圍為0V10V， 1LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓為2.44mV；2 0VIN輸入電壓范圍為0V20V，1LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓為4.88mV。R1用于零點(diǎn)調(diào)整，R2用于滿(mǎn)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 12LSB）時(shí)，輸出數(shù)字量從0000 0000 0000變到0000 0000 0001； 調(diào)整R2，使得輸入電壓為9.9963V時(shí)，數(shù)字量從1111 1111 1110變到1111 1111 1111。,雙極性模擬輸入方式的調(diào)整,對(duì)于雙極性模入方式，把REF IN， REF OUT，和 B

22、IP OFF三個(gè)引腳的接線(xiàn)按圖2-10重新安排，雙極性模入方式零點(diǎn)與滿(mǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系為： 10VIN端輸入時(shí)： 5V0V十5V 對(duì)應(yīng) 000H800HFFFH 20VIN端輸入時(shí)：一10V0V十10V 對(duì)應(yīng) 000H 800HFFFH,圖2-10 AD574雙極性模擬輸入接線(xiàn)方式,MAX1241芯片及其接口,以串行數(shù)據(jù)形式輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有引腳少、體積小的特點(diǎn)；接口所需的IO位數(shù)也比較少。有利于提高儀器的集成度和減小體積，能方便、廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行模擬與數(shù)字隔離的場(chǎng)合。 串行輸出的AD轉(zhuǎn)換器雖有多種型號(hào)，接口時(shí)序也有所不同。

23、但接口的實(shí)現(xiàn)和控制方法還是基本相同的。現(xiàn)以MAX1241為例來(lái)說(shuō)明串行輸出ADC接口技術(shù)。,MAX1241串行輸出單片ADC簡(jiǎn)介,MAX1241是一種低功耗、低電壓的12位逐次逼近型ADC，最大非線(xiàn)性誤差小于1LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間9s。采用三線(xiàn)式串行接口，內(nèi)置快速采樣保持電路。其結(jié)構(gòu)和引腳定義如圖2-11所示。,圖2-11 MAX1241內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳定義,MAX1241串行輸出單片ADC簡(jiǎn)介,MAX1241采用8引腳DIP或SO形式封裝，完善的內(nèi)部電路幾乎不需要外圍器件即能工作。 內(nèi)置采樣/保持電路在AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，自動(dòng)捕捉信號(hào)，最大捕捉時(shí)間 1.5s。 12位逐次逼近型 ADC的并行輸出經(jīng)輸出

24、移位寄存器變換為串行輸出，整個(gè)工作過(guò)程受控于三線(xiàn)串行接口。,表2-3 MAX1241管腳功能,MAX1241采用單電源供電，動(dòng)態(tài)功耗在以每秒73K轉(zhuǎn)換速率工作時(shí)，僅需09mA電流。在停止轉(zhuǎn)換時(shí)，可通過(guò)控制端使其處于休眠狀態(tài)，以降低靜態(tài)功耗。休眠方式下，電源電流僅1A。,MAXI 241的工作時(shí)序,MAXI 241的工作時(shí)序（圖2-12）：每次轉(zhuǎn)換由芯片選通信號(hào)的下降沿觸發(fā)，但此時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘 SCLK必須為低。 AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，內(nèi)部控制邏輯切換采樣保持電路為保持狀態(tài)，并使輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)DOUT變低。在整個(gè)轉(zhuǎn)換期內(nèi),SCLK應(yīng)保持低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)DOUT由低變高。 一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，內(nèi)部控制邏輯將自動(dòng)把采

25、樣保持器切換為捕捉狀態(tài)。,圖2-12 MAX1241工作時(shí)序,MAXI 241的工作時(shí)序,對(duì)MAX1241轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸入在轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行，由驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘SCLK的下降沿觸發(fā)一位數(shù)據(jù)輸出。 在下一個(gè)SCLK脈沖下降沿到來(lái)前，該位數(shù)據(jù)將始終保持在DOUT輸出端上。 數(shù)據(jù)輸出從最高位開(kāi)始，每個(gè)SCLK脈沖下降沿輸出一位。第12個(gè)SCLK的下降沿輸出最低位。在數(shù)據(jù)輸出周期內(nèi)，必須保持低電平，若在第13個(gè)SCLK下降沿后，仍保持低電平，DOUT則一直保持為低電平。,2MAX1241 與 803151的接口,MAX1241與微機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)有二種選擇，一是使用普通端口，利用程序?qū)崿F(xiàn)串行輸入。另一種則是直接使用串

26、行接口。前者輸入速度低，后者需占用串行通信口。 （l）MAX1241與 8031/51的通用 IO方式接口： MAX1241與 8031/51的通用 IO接口如圖2-13所示。接口使用三位通用 IO端口P1.0P1.2。其中P1.0用于片選信號(hào)，P1.1產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖SCLK ， P1.2為數(shù)據(jù)輸入 。,控制程序如下：控制子程序完成一次A/D轉(zhuǎn)換和輸入，輸入數(shù)據(jù)存放于R0，R1寄存器。 ；寄存器及端口定義： CS：BIT P1.0 ；片選信號(hào)位 DOUT：BIT P1.2；串行數(shù)據(jù)輸入位 SCLK：BIT P1.1；驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘位 DATA_BH：EQU R0；高字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 DATA_BL：E

27、QUR1；低字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 CONT_H：EQUR0；高位取數(shù)計(jì)數(shù)器 CONT_L：EQU R1；低8位取數(shù)計(jì)數(shù)器,；控制子程序 SADC_R： XRLA，A ；清A MOV CONT_H，04H ；高8位計(jì)數(shù) MOV CONT_L，08H ；低8位計(jì)數(shù) CLR SCLK ；SCLK置“0” CLR CS ；選中1241，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 SADC END：JNB DOUT，SADC_ END ；檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 READ_H： SETBSCLK CLRSCLK ；產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘 MOV C，DOUT ；輸入一位數(shù)據(jù) RLC A ；數(shù)據(jù)移位至ACC0 DJNZ CONT_H，READ_H ；高

28、4位輸入結(jié)束判別 MOV DATA_BH，A ；高 4位數(shù)據(jù)送寄存器,READ_L： SETBSCLK CLRSCLK ；產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘 MOV C，DOUT ；輸入一位數(shù)據(jù) RLC A ；數(shù)據(jù)移位置ACC0 DJNZ CONT_L，READ_L；低8位輸入結(jié)束判別 MOV DATA_BL，A ；低8位數(shù)據(jù)送寄存器 SETBSCLK CLRSCLK ；清 DOUT輸出 SETB CS ；撤消片選 RET,（2）MAX1241與803151串行接口,當(dāng)使用803151串行口實(shí)現(xiàn)與MAX1241聯(lián)接時(shí)，串行口應(yīng)工作于同步移位寄存器方式（方式0）。此時(shí)，串行口的接受數(shù)據(jù)端RXD（P3.0）被用于接

29、受MAX1241的輸出數(shù)據(jù)。而發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD（P3.1）則被用于提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，為滿(mǎn)足時(shí)序要求；應(yīng)將其反相。片選信號(hào)仍使用P1.0。接口電路如圖2-14所示。,8031/51串行接口控制程序,由于8031/51串行口一次只能接受8位數(shù)據(jù)，故12位AD轉(zhuǎn)換結(jié)果必須分二次接受。 同前述程序直接輸入一樣，控制程序必須檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，即DOUT的上跳變，只要當(dāng)DOUT變?yōu)楦唠娖胶螅侥軉?dòng)串行接受。 接口控制程序如下所示:,MAX1241 ADC串行接口控制子程序 ；寄存器及端口定義 CS： BIT P1.0 EOC： BIT P3.0 DATA_BH： EQU R0 ；接受數(shù)據(jù)高位存儲(chǔ)寄存器

30、DATA_BL： EQU R1 ；接受數(shù)據(jù)低位存儲(chǔ)寄存器 ；串行口設(shè)置子程序 SPOR_SET：CLR ES ；禁止串行中斷 MOV SCON，00H ；串行口為方式0，停止接受 SETB CS ；禁止 ADC RET,；接口控制子程序 SAD_SR： CLR CS；啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換 AD_NEND： JNB EOC，AD_NEND；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 SETB REN；啟動(dòng)串行接收 FR_NEND： JNB RI，F(xiàn)R_NEND；等待接收結(jié)束 MOV DATA_BH，SBUF ；從串行數(shù)據(jù)緩沖器輸 入高8位數(shù)據(jù) CLR RI ；啟動(dòng)第二次接收 SR_NEND： JNB RI，SR _NEND ；等待

31、接收結(jié)束 MOV DATA_BL，SBUF ；從串行數(shù)據(jù)緩沖器 輸入低4位數(shù)據(jù) CLR REN ；停止接收 SETB CS ；禁止ADC RET,213 積分式ADC,大多用于低速、廉價(jià)的積分型AD轉(zhuǎn)換器中，幾乎無(wú)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(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果分若干次輸出。這種低速、廉價(jià)但高精度、強(qiáng)抗干擾的集成A/D轉(zhuǎn)換器以其優(yōu)良的性能價(jià)格比被廣泛應(yīng)用于低速測(cè)量領(lǐng)域。,1MC14433 3位雙積分ADC,MC14433是具備零漂補(bǔ)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(dòng)調(diào)零、自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。其轉(zhuǎn)換精度為土

32、（ 005 Vi 1LSB），輸入電阻大于100M,對(duì)應(yīng)時(shí)鐘頻率范圍為 50150kHz，轉(zhuǎn)換速度為每秒310次。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能如圖2-15所示。,圖2-15 MC14433 ADC結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能,MC14433采用土5V供電電源，只需一個(gè)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(mǎn)量程時(shí)Vi= VR 。 Vi輸入有2V和200mV兩個(gè)量程擋。當(dāng)滿(mǎn)度電壓為1999V時(shí)，VR取2000V；當(dāng)滿(mǎn)度電壓為1999mV時(shí)， VR取2000mV。當(dāng)然，也可根據(jù)需要在200mV2V之間任意選擇VR的值，此時(shí)，讀數(shù)的一個(gè)LSB所對(duì)應(yīng)的輸入電壓則需通過(guò)式

33、2-1求得。,MC14433輸出時(shí)序,MC14433由內(nèi)部電路自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換,無(wú)需外加啟動(dòng)信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)通過(guò)Q3Q0輸出端，逐位輸出BCD碼，并不斷重復(fù)。并通過(guò) DS1DS4指明現(xiàn)行輸出 BCD碼是十進(jìn)制位中的某一位(千位個(gè)位）。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，在EOC端輸出一正脈沖，寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期。輸出數(shù)據(jù)更新需通過(guò)DV端的正跳變信號(hào)實(shí)現(xiàn)，通常將EOC與其短接。其整個(gè)輸出時(shí)序如圖2-16所示。在千位輸出時(shí)，攜帶輸出極性及超量程信息，如表2-4所示。,圖2-16 MC14433輸出時(shí)序,MC14433千位編碼定義,表2-4 MC14433千位編碼定義,2MC14433ADC與 803151接口,MC1443

34、3輸出不具有三態(tài)緩沖，故必須通過(guò)接口方可掛接于微機(jī)總線(xiàn)。對(duì)于803151單片機(jī)而言，最簡(jiǎn)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2-17 MC14433ADC與 8031/51的接口,圖2-18 數(shù)據(jù)格式,MC14433ADC與 803151接口,接口使用P1口，高4位輸入BCD碼，低4位輸入位選信號(hào)DS1DS4。 EOC的下跳沿觸發(fā)中斷。按MC14433的輸出時(shí)序和接口形式，控制程序如下所示。 控制程序由中斷啟動(dòng)，每次輸入一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并存入803151內(nèi)部RAM。存入數(shù)據(jù)格式如圖2

35、-18所示。,214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AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度都不能滿(mǎn)足要求。 并行型AD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(shí)進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果經(jīng)過(guò)編碼后得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)。,并行或特高速ADC原理,3位二進(jìn)制并行型AD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（m2n-1）個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓（n是轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制位數(shù)）; 每一個(gè)分壓后的標(biāo)準(zhǔn)電壓與輸入模擬電壓Vi同時(shí)（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

36、模擬量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 一個(gè)n位二進(jìn)制并行型AD轉(zhuǎn)換器需要m（m2n-1）個(gè)比較器。,圖2-19 并行型AD轉(zhuǎn)換器原理圖,幾點(diǎn)說(shuō)明：,由圖可知，并行型A/D轉(zhuǎn)換器的精度取決于幾個(gè)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(gè)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。 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(shí)間。 n位并行型ADC轉(zhuǎn)換器需要（ 2n 1）個(gè)比較器，成本相當(dāng)昂貴。,并行型A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,輸入信號(hào)是雙極性時(shí)，只需將參考電壓的接地端改接為負(fù)電源端。 這種轉(zhuǎn)換器速度極快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法做到高精度，價(jià)格也非常昂貴，如

37、圖像處理及模式識(shí)別等領(lǐng)域。因?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別及圖像處理一幀畫(huà)面有數(shù)以2.2萬(wàn)計(jì)的像素，為了適應(yīng)視覺(jué)的要求必須每秒鐘處理幾十幀畫(huà)面。如果每秒鐘處理30個(gè)畫(huà)面，則相當(dāng)每秒鐘要對(duì)6.6兆個(gè)像素進(jìn)行處理，所以對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度要求極高。,22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DA轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣保持器等組成。本節(jié)側(cè)重討論DA轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口。,221 DA轉(zhuǎn)換器概述一、D/A轉(zhuǎn)換原理,DA轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)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 DA

38、芯片內(nèi)還含有鎖存器。DA轉(zhuǎn)換器的組成原理有多種，采用最多的是R2R梯形網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器，圖2-20顯示了一個(gè)4位DA轉(zhuǎn)換器的原理圖。,D/A轉(zhuǎn)換原理,一般由D/A轉(zhuǎn)換器,多路模擬開(kāi)關(guān),采樣/保持器等組成. 作用是將經(jīng)智能儀器處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量送出. 一、D/A轉(zhuǎn)換原理（圖2-20） 由電阻網(wǎng)絡(luò),開(kāi)關(guān)及基準(zhǔn)電源等組成. UR Uo= - (23D3+22D2+21D1+20D0) 24,R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理,圖2-20 R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理,二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率：當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)模擬量輸出的變化量. 轉(zhuǎn)換精度：在整個(gè)工作區(qū)間實(shí)際的輸

39、出電壓與理想輸出電壓之間的偏差. 轉(zhuǎn)換時(shí)間：通常為幾十個(gè)納秒. 尖峰誤差：指輸入代碼發(fā)生變化時(shí)刻,而使輸出模擬量產(chǎn)生的尖峰所造成的誤差.,D/A轉(zhuǎn)換器尖峰誤差及消峰原理,三、DA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(gè)數(shù)據(jù)鎖存器. 3.含雙個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器(用于多個(gè)D/A同時(shí)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合). D/A的輸出電路分為: 1.單極性電路圖2-22 2.雙極性電路 圖2-23,UOUT=-（VREF/28）D,UOUT=-（2U1+VREF）,2.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832及其與微機(jī)接口,八位D/A轉(zhuǎn)換器DA

40、C0832及其與微機(jī)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（圖2-25 ） 程序: MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#DATA MOVX DPTR,A,雙緩沖接口的程序,MOVDPTR, #0FEFFH MOVA, R2 MOVXDPTR, A; 數(shù)據(jù)送1#0832輸入寄存器 MOVDPTR, #0FDFFH MOVA, R3 MOVXDPTR, A ; 另一數(shù)據(jù)送2#0832輸入寄存器 MOVDPTR, #0FBFFH MOVXDPTR, A; 1# 、2# D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)輸出,二、12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208與微機(jī)接口,雙緩沖

41、, 12位D/A器件. 第一級(jí)緩沖由8位輸入寄存器和4位輸入寄存器組成. 第二級(jí)緩沖為12位DAC寄存器. 字節(jié)控制信號(hào)： =1; 12位數(shù)字量同時(shí)送入輸入寄存器； BYTE1/BYTE2 =0;只將12位數(shù)字量中的低4位送到對(duì)應(yīng) 的4位輸 入寄存器。 其余控制類(lèi)似DAC 0832（圖2-27）：,圖2-27 DAC1208與8031單片機(jī)接口示意圖,DAC1208與8031單片機(jī)接口,設(shè)有一個(gè)12位的待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在地址DATA及DATA1單元中，其存放順序?yàn)椋海―ATA）存高8位數(shù)據(jù)，（DATA1）存低4位數(shù)據(jù)（存放在該單元的低半字節(jié)上）。則把這個(gè)數(shù)據(jù)送往DA轉(zhuǎn)換器的程序段為：,DAC1

42、208與8031單片機(jī)接口,MOV DPTR， 0FDFFH ;(CS=0,BYTE1=1) MOV A， DATA MOVX DPTR，A；輸出高8位數(shù)據(jù) DEC DPH ;(CS=0,BYTE2=0) MOV A， DATA 1 MOVX DPTR，A；輸出低4位數(shù)據(jù) MOV DPTR， 7FFFH ;(XFER=0) MOVX DPTR，A；12位數(shù)據(jù)同時(shí)送 DAC寄存器,2.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,一.鋸齒波的產(chǎn)生(圖2-25、28) MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H LOOP:MOVX DPTR,A INC A MOV R0,#DATA DJNZ R0,$

43、 SJMP LOOP,圖2-28 連續(xù)鋸齒波形圖,二、任意波形的產(chǎn)生,可采用事先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)然后順序輸出的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 雙極性輸出,將360分為256個(gè)點(diǎn),每2點(diǎn)間隔約為1.4。然后計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，并列成表格編入程序中（圖2-29 、圖 2-30）。,圖2-29 DAC0832雙極性輸出形式的接口電路,圖2-30 正弦波計(jì)算制表示意圖,具體輸出程序段如下： MOV R5，00H；計(jì)數(shù)器賦初值 SIN：MOV A， R5 MOV DPTR，#TABH MOVC A， ADPTR；查表得輸出值 MOV DPTR，7FFFH；指向 0832 MOVX DPTR， A；轉(zhuǎn)換 INC R5；

44、計(jì)數(shù)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,C5HDB C7H,CAH,CCH,CFH,D1H,D4H,D6H,D8H DB DAH,DDH,DFH,E1H,E3H,E5H,E7H,E9H ,2.3 醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)2.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖2-31)由多路開(kāi)關(guān)、采樣/保持器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。 數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)步驟。采樣過(guò)程由多路開(kāi)關(guān)、采樣/保

45、持器完成(如信號(hào)變化很慢，也可以不用采樣/保持器)。 多路開(kāi)關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端。 A/D轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)中。 放大器、濾波器可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小、頻譜分布及干擾的強(qiáng)弱選用。,圖2-31 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖,模擬多路開(kāi)關(guān)及接口,多路開(kāi)關(guān):把模擬信號(hào)分時(shí)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(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),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(shí)現(xiàn)CMOS到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換； 數(shù)字量:320V , 模擬量:峰值達(dá)20

46、V； 改變IN/OUT及OUT/IN的傳遞方向,可用作多路開(kāi)關(guān)和多路分配器。,圖2-32 CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,表2-5 CD4051真值表,擴(kuò)展16路多路開(kāi)關(guān)見(jiàn)圖 2-33:,圖2-33 CD4051多路開(kāi)關(guān)組成的16路模擬開(kāi)關(guān)原理圖,采樣/保持器,在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中,需要在穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)應(yīng)保持在采樣時(shí)的函數(shù)值不變.因此需加入S/H電路.若輸入模擬量是直流或頻率很低可省去。 采樣/保持器有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。 在采樣方式下，S/H的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓； 在保持方式下，S/H的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令撤消為止。典型芯片為 LF398。,圖

47、 2-34 采樣/保持器電路,圖2-34是采樣/保持器的電原理圖。圖中A1為高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大器，A2為輸出緩沖器，開(kāi)關(guān)K是工作方式控制開(kāi)關(guān)。 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入信號(hào)Vin經(jīng)放大器A1向電容充電，此時(shí)為采樣工作方式； 當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)為保持方式，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，電容器保持充電的最終值。,采樣/保持器的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo),1捕獲時(shí)間tAC 捕獲時(shí)間是從采樣開(kāi)始到采樣/保持器的輸出電壓達(dá)到精度指標(biāo)（與被測(cè)電壓的誤差在0.1%0.01%范圍之內(nèi)）所需的時(shí)間 2孔徑時(shí)間tAP 從發(fā)出保持命令到保持開(kāi)關(guān)真正斷開(kāi)所需要的時(shí)間，,采樣/保持器的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo),3保持建立時(shí)間tS 采樣/保持器

48、進(jìn)入保持狀態(tài)后，需要經(jīng)過(guò)保持建立時(shí)間tS ，輸出才能達(dá)到穩(wěn)定。 4孔徑抖動(dòng)tAJ 孔徑抖動(dòng)亦稱(chēng)孔徑不確定度，表示tAP 的變化范圍。 5衰減率 在保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流和其他雜散漏電流，引起保持電壓下降。,LF198/298/398的原理,LF198/298/398(圖2-35)是場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的采樣保持電路，它具有采樣速度快，保持電壓下降速度慢以及精度高等特點(diǎn)。當(dāng)保持電容為1F時(shí)，其下降速度為5mV/min，電壓精度可達(dá)0.01%。 圖中，當(dāng)邏輯控制端IN（+）為1時(shí)為采樣狀態(tài)，此時(shí)S閉合，輸出跟隨輸入變化；當(dāng)IN（+）為0時(shí)，呈保持狀態(tài)，此時(shí)S打開(kāi)，輸出保持不變。,圖2-35 LF

49、198/298/398的原理,2.3.2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)舉例,圖2-36是一個(gè)16路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由單片機(jī)8031、16路模擬開(kāi)關(guān)AD7506、采樣保持器LF398、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574等組成。 單片機(jī)8031控制管理整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 由模擬開(kāi)關(guān)AD7506可將16路輸入信號(hào)(010V)，分時(shí)地接入到系統(tǒng)中。 LF398對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，將采保的信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574中。 AD574是12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度為25s AD574的管腳2（12/8 ）接+5V，接成12位轉(zhuǎn)換形式，單極性輸入。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程,8031單片機(jī)通過(guò)P1口，控制模擬開(kāi)關(guān)AD7506

50、的輸入通道的選通端A0、A1、A2、A3，可以按順序選通16個(gè)輸入通道，也可以根據(jù)需要有選擇地接通輸入信號(hào)。 單片機(jī)同時(shí)給采樣保持器LF398控制端8腳發(fā)高電平，使之進(jìn)入采樣狀態(tài)。待LF398捕獲到輸入信號(hào)后，單片機(jī)給LF398的8腳發(fā)低電平保持命令,同時(shí)啟動(dòng)AD574進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即8031通過(guò)P0口經(jīng)74LS373鎖存器使AD574的A0=0，R/ C=0。單片機(jī)就進(jìn)入等待狀態(tài)。,當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD574的STS=0，8031通過(guò)P3.3（INT1）查詢(xún)到轉(zhuǎn)換結(jié)束后，開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，先讀高8位數(shù)據(jù)，再讀低4位數(shù)據(jù)，分兩個(gè)字節(jié)送到8031單片機(jī)內(nèi)部RAM中。 利用MCS-51匯編語(yǔ)言編制

51、的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序見(jiàn)P.48。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程,2.3.3 基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集信息量大；人機(jī)界面美觀；數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便；軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 利用PC機(jī)對(duì)醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集可以實(shí)現(xiàn)：信號(hào)的實(shí)時(shí)采集；波形或參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理等功能。 PC機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格越來(lái)越低，基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)日益廣泛使用。 介紹PC-6330D模入接口卡的使用方法。,一硬件結(jié)構(gòu),PC-6330D模入接口卡適用于具有ISA總線(xiàn)的PC系列微機(jī)，兼容性好,CPU從64位直到早期的16位處理器均可適用，操作系統(tǒng)可選用MS-DOS、流行的Windows系列及高穩(wěn)定性的U

52、nix等和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW等軟件。 硬件安裝上特別適用于對(duì)接口卡尺寸有嚴(yán)格要求的便攜機(jī)。使用時(shí)只需將接口卡插入機(jī)內(nèi)任何一個(gè)ISA總線(xiàn)插槽中，信號(hào)電纜從機(jī)箱外部直接接入。 PC-6330D模入接口卡的模擬信號(hào)由卡前端的25芯D型插頭輸入。允許采用16路單端輸入方式。用戶(hù)可根據(jù)需要選擇測(cè)量單極性信號(hào)或雙極性信號(hào)。為方便用戶(hù)外接放大器的需要，該卡由插頭可外供+5v和+12v電源。,PC-6330D模入接口卡,1主要技術(shù)參數(shù),輸入通道數(shù)：?jiǎn)味?6路 輸入信號(hào)范圍：0v-10v*;-5v-+5v(標(biāo)*為出廠標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同) 放大器增益： *1倍 輸入阻抗： 10M A/D轉(zhuǎn)換分辨率：12位 A/D轉(zhuǎn)換速度：10S A/D啟動(dòng)方式：程序啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換方式：查詢(xún)或中斷方式 中斷IRQ3、IRQ4、IRQ5、I