9第二章 医学信号采集系统1.docx

9第二章 医学信号采集系统1.docx

《9第二章 医学信号采集系统1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《9第二章 医学信号采集系统1.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

9第二章医学信号采集系统1

第二章医学信号采集系统设计

人体生理信号如心电图、脑电图等都是模拟信号，是以连续方式存在和变化的。

长期以来，人们接触到的是模拟的信号。

随着微机技术和数据转换器件的迅速发展，数字信号应用得以实现，它具有便于存储、运算及抗干扰能力强等优点。

数据采集系统把从传感器或其他方式得到的模拟信号，经过必要的处理后转换成数字信号，供存储、处理、显示、传输之用，

2.1采样定理

模拟信号：

用连续变化的物理量表示的信息，其幅度或频率或相位随时间作连续变化。

模拟信号是日常生活中常见的信号，但是在微处理器中，却只能处理数字信号。

数字信号：

时间和数值上都是离散的信号。

理想情况下，把模拟量的全部确定值都加以处理，但是由于存储容量的限制，所以只能提取有限的确定值，这些在离散时间瞬间的取值就构成了模拟信号的“采样”，信号的采样速率决定了离散时间函数表示的精度。

采样后的数字信号，经处理以后还希望它能恢复为原始的模拟信号，采样理论表示为，“在一定的条件下，一个连续时间信号可完全地用等时间间隔的瞬时值或采样来表示，并且当知道这些采样值后，可以完全恢复信号本身”。

从上图2-

（1）中可以看出，对于高于fm的频率，x（f）=0，即x（t）没有高于fm的频率成分，x（t）称为带限信号。

等时间间距的脉冲序列的频谱也是一个脉冲序列，其间距为，fs为采样频率。

要想把模拟信号x（t）从它的采样表示中恢复出来，由2-（3）得到

fs－fm>fm——>fs>2fm，采样定理的内容：

信号必须频带有限，而且采样频率不能低于信号最高频率的2倍。

2.2模拟量输入通道

2.1.1A/D转换器概述

模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等，在仪器领域内，模拟量更限于电压和电流。

A/D转换器的几项技术指标：

1.分辨率

分辨率是用来横梁AD转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标，即输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，也就是使输出数码增加（或减少）一个单位所需要的输入信号最小变化量。

它由AD变换器能够输出的数值M，即1/2n所决定，例如ADC0809能够输出8位数字量，故具有8位的分辨率，即：

如果输入电压的最大值为5v，则8位ADC能够分辨的输入电压最小变化量为：

2.量化误差

量化误差是由AD变换器分辨率直接造成的。

在一个量化单位内所有模拟电压值都对应着同一个输出数码，因此存在一个固有的变换误差，无论AD转换器的精度多高都存在这一问题。

如下图所示，它显示出一个精确的3位AD变换器的变换特性。

可以看出，0～1V之间所有输入电压都对应着同一个输出码000，其量化误差为1LSB。

如果把0.5V定为标称值，则量化误差就变成±1LSB/2。

为了把量化误差改变为±1LSB/2，通常的方法是把变换特性偏移1LSB/2，如下图所示。

量化误差仅能通过提高分辨率来减少。

它是以±1LSB/2或是以满刻度数的百分比误差来表示的。

（a）是A/D转换器输入/输出曲线，其中虚线为理想转移曲线，实线为实际转移曲线。

从图中可看出，最大的量化误差为1LSB。

有的器件将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，使得量化误差为±1/2LSB，如图（b）所示。

3.非线性误差

ADC芯片的非线性误差是指其输出特性曲线从始末两端造成的直线漂移的最大偏移量。

它是在零位误差和满刻度误差校正完毕之后进行测量的，是器件本身的固有特性．不能用外部的方法来调整。

4.零位误差

零位误差是衡量理想A/D变换器与实际A/D变换器零点偏差大小的尺度。

如下图2-7（a）所示，零位误差的影响是使整个变换特性曲线沿着横坐标向左或向右漂移。

比1LSB更低的任何输入电压变换结果得到的数码都是000，因此，输出从000跳到001时所确定的实际输入电压与理想输入电压的偏差被定义为零位误差，并以满刻度FS的百分值来表示。

在图2-7（a）的例子中，零位误差为2LSB＝0.286％FS

5.满刻度误差

满刻度误差是满刻度情况下理想的A／D变换器与实际的A／D变换器偏差的大小尺度。

实际上它就是使输出达到满刻度时，理想的A／t）转换器的输入电压与实际的4／D变换器的输入电压之间的偏差，如图2-7（b）所示，满刻度误差的影响是使变换器的特性曲线绕原点转动一个角度。

比满刻度输入电压更高的任何输入电压得到的输出数码只能是111。

因此，使输出数码从111跳变到]10所确定的实际输入电压与理想输入电压的偏差被定义为满刻度误差，并且用满刻度55的百分值来表示。

在图2-7（b）的例子中满刻度误差为：

6.变换时间

变换时间是指—个变换周期的长短，它跟芯片采用的变换方式等因素有关，也影响芯片的使用场合。

2.1.2ADC芯片的主要品种及性能

ADC芯片类型很多，性能指标相差很大，且各具特点。

ADC芯片的工作原理和其主要产品的性能及适用场合。

根据转换的原理来分，常用的ADC有：

①积分方式ADC③逐次逼近式ADC③快速ADC

下面将分别简要叙述其工作原理：

（1）积分式ADC。

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工业应用场合，有较大的应用价值。

积分式ADC的工作原理（图2-8）是将输入电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，然后计数器据此进行计数。

积分式ADc的工作过程分为采样和测量两个阶段，工作原理如图2-9所示。

双积分式ADC按一定时序顺序工作，从电路发出启动脉冲START=1时刻t1开始，K1接通，计数器复位，模拟电压U接到积分器输入端。

积分器从零开始积分，同时，计数器开始计数。

假设计数据的容量为Nmax，时钟周期为Tcp，则从计数时刻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：

Uo与输入电压Ux在T1内的积分值成正比。

在t2时刻，转换器进入比较阶段。

此时计数器已计满又复位为零，控制逻辑电路使模拟开关K1断开K2闭合，将与Ux极性相反的标准电压UREF输入积分器，积分器开始反向积分，计数据重新开始计数。

当积分器的输出电路Uo降到等于零的时刻t3，检零比较器动作，通过控制逻辑电路将计数器关闭。

这一段时间为t3－t2＝Tx，此时计数器计数值为Nx。

由于此时积分器输出电压为零，即：

由上式可知，被测电压Ux的转换数字量Nx与Ux成正比，与Nmax/Uref比例因子成正比，而与积分器中的RC常数及计数器的频率Tcp无关。

故此在双积分ADC中需要一个高品质的正负电源，一个高品质的积分电容及一个高灵敏度的电压比较器以保证检测精度。

双积分ADc的缺点是：

转换频率较低，略低于1/2T1。

由于采样时间T1又和分辨率（计数量的最大值）有关，分辨率愈高，在使用的时钟频率上限被限定时，则T1就较大，因此转换速度受一次积分时间所限。

此外，采样时间T1的选择还和干扰噪声抑制频率有关。

如要求能抑制低频干扰，相对于快速采集系统则太慢，但是双斜率转换器对于温度的检测及气相色谱这些反应较慢的传感器来说，其速度是足够的。

由于它工作速度慢，信号频率低，采样值是在T1时间内输入信号的平均值，故采集通道中不必再设置采样／保持电路。

常用单片双积分类型的ADc集成芯片有：

13位的cMOS产品AD7550、AD7552及±41/2BCD的AD7555等。

2.1.3逐次比较式A/D转换器

这类芯片目前应用极为广泛。

它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。

其工作原理是用一系列基准电压与被转换电压Ux相比较，原理图如图2-10所示。

当未知电压Ux接入后，由CPU给出START＝1信号启动A／D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-1＝1，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Ux>Uc，则保留此位；若Ux

然后令下一位数字为1，即DN-2＝1，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。

假定逐次比较式ADC的分辨率为N，N也就代表了被比较的次数，故逐次比较ADC的转换时间为：

tCH＝t0+NTcp

式中，t0为转换前后所需要的控制及动作时间；Tcp为时钟周期；NTcp为N位转换所需的时间。

ADC的转换速度取决于可选择的最高时钟频率，而时钟频率的高限，则受片内DAC输出达到稳定所需时间、电压比较DAC响应时间以及逐次逼近寄存器的动作时间等参数的限制。

逐次逼近ADC的精度则主要由片内DAC、电压比较器及参考电源精度决定。

目前各种速度和精度的集成化逐次比较式芯片有以下几类：

①单端输入A／D芯片ADC-ET系列。

它包括ADC-ET8B、ADC-ET10B、ADC-EF12B等，它们是采用CMOS工艺，芯片由输入

2.3.1双积分式AD芯片及其接口电路

目前，双积分式A/D转换器已能做成单片集成电路的形式。

这些集成芯片大都采用了自动调零技术，并且其数字输出大都采用位扫描的BCD码形式。

下面以广为使用的MC14433为例来讨论这类双积分式A/D芯片的接口技术。

MC14433（国产5G14433）是采用CMOS工艺且具有零飘补偿的3*（1/2）位（BCD码）单片双积分式A/D转换器，该电路只需外加两个电容和两个电阻就能实现A/D转换功能。

其主要技术指标为：

转换速率（3～10）Hz，转换精度±1LSB，模拟输入电压范围0V～±1.999V或0V～±199.9mv，输入阻抗大于100M。

MC14433采用24脚双列直插式封装，其结构框图与引脚图如图2－13所示，各引脚定义如下：

图2－13MC14433的结构框图与引脚图

VDD、VEE：

正、负电源端；一般取±5V。

VSS：

公共接地端；为提高电源抗干扰能力，正负电源端应分别与VSS端跨接去耦电容。

Ui：

被测信号输入端，其对应地端为UAG（模拟地）。

UR：

基准电压输入端，其对应地端为UAG。

基准电压＋2V或＋200mv，可由MC1403通过分压提供。

CLK1，CLK0：

时钟端，用于外接钟频电阻RC。

当RC=470K时，fCLK≈66KHz；当RC=200K时，fCLK≈140KHz

R1，C1，R1/C1：

外接积分电阻R1、积分电容C1端。

R1，C1的估算公式为：

式中

Uimax——输入电压满量程值；

⊿U——积分电容上允许充电电压的最大幅度；

C01，C02——外接失调补偿电容端，补偿电容一般取值0.1uF。

EOC——转换结束标志端，每一转换周期结束后，该端输出一脉宽为1/2时钟周期的正脉冲。

DU——转换更新控制端。

当向该端输入一正脉冲时，则当前转换周期的转换结果将被送入到输出锁存器，否则输出锁存器将保留原来数据。

若DU与EOC连接，则每一次转换结果都将被自动送出。

——溢出标志端。

平时为高电平，当Ui>UR时，输出低电平。

Q0,Q1,Q2,Q3：

A/D转换结果输出端。

采用BCD码，其中Q0为LSB。

DS1，DS2，DS3，DS4：

多路调制选通脉冲信号输出端。

MC14433转换结果以BCD码形式，分时按千、百、十、个位由Q0～Q3端送去，相应的位选通信号由DS1～DS4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，其输出时序如图2－14所示。

图2－14MC14433输出时序图

在DS2，DS3，DS4选通期间，Q0～Q3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Q3～Q0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