9第二章 医学信号采集系统1Word格式.docx

1、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fsfm 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2.1.1 A/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

2、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，01V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

3、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

4、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2LSB0.286FS5. 满刻度误差满刻度误差是满刻度情况下理想的AD变换器与实际的AD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At）转换器的输入电压与实际的4D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

5、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。2.1.2 ADC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： 积分方式ADC 逐次逼近式ADC 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

6、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TcpNmax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，

7、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t3t2Tx，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

8、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4 1/2BCD的AD7555等。2.1.3

9、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START1信号启动AD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-11，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UxUc，则保留此位；若UxUR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Q0Q3端送去，相应的位选通信号由DS1DS4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214所示。图214 MC14433输出时序图在DS2，DS3，DS4选通期间，Q0Q3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Q3Q0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