电子医疗仪器04-第四章模拟量输入输出通道解读.ppt

数据采集系统是医学信号数字化的基础 人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采用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，将模拟量的电压或电流送模/数转换器（A/D），变成适合于微处理器使用的数字量供系统处理。 同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数/模转换器（D/A）及相应的接口电路将其变换成模拟量送出，如图1所示。 模拟量输入/输出通道示意图 A/D转换器及相应接口电路称为模拟量输入通道； D/A转换器及相应接口电路称为模拟量输出通道。 第一节 模拟量输入通道一、 A/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的器件，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转换的过程中通常要完成采样、量化和编码三个步骤。 1．? 采样 待采样的模拟信号是连续的，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的时间，不可能把每一个瞬时值都转换成数字量。必须在连续变化的模拟量上按周期取样的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。 采样是通过采样保持电路实现的，采样器（电子模拟开关）在控制脉冲s(t)的控制下，周期性地把随时间连续变化的模拟信号f(t)转变为时间上的离散的模拟信号fs(t)。 　采样器输入输出波形 输出信号能否如实反映原始输入信号？ 采样得的信号fs(t)的值和原始输入信号f(t)在相应的瞬时值相同，因此采样后的信号在量值上仍然是连续的。 可以证明：当采样器的采样频率f0S高于输入信号最高频率fm的两倍时（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。 如何知道输入信号f(t)的频率，特别是它的最高频率fm ？ 信号“最高频率”指的是输入信号经频谱分析后得到的最高频率分量。“恢复”指的是样品序列fS(t)通过截止频率为fm的理想低通滤波器后，能得到的原始信号f(t)。 在应用中，一般取采样频率fS为最高频率fm 的4～8倍。 简单模拟信号的频谱范围是已知的，如温度低于1Hz，声音为20Hz～20000Hz。复杂信号要用傅立叶变换算出，或用频谱分析仪测得，也可用试验的方法选取最合适的fS 。 2. 量化 所谓量化，就是以一定的量化单位把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。 量化相当于只取近似整数商的除法运算。 量化单位用q表示，对于模拟量小于一个q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常为了减少误差采用“四舍五入”的方法使之整量化。这种量化方法的输入输出特性如图3所示。 3．?编码 编码往往涉及到A/D转换的具体应用，若考虑为双极性信号，可采用补码方式；若强化二进制数据的可靠性，可采用格雷码。? 格雷码 格雷码(Gray code),又叫循环二进制码或反射二进制码 　　在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。 而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。下表为几种自然二进制码与格雷码的对照表： ┌────┬──────┬───┬────┬──────┬────┐│十进制数│自然二进制数│格雷码│十进制数│自然二进制数│ 格雷码 │├────┼──────┼───┼────┼──────┼────┤│0? ?? ?? ???│0000? ?? ?? ? ? ?│0000? │8? ?? ?? ???│1000? ?? ?? ?? ?│1100??? ???│├────┼──────┼───┼────┼──────┼────┤│1? ?? ? │0001? ?? ? ?│0001 │9? ?? │1001? ? ???│1101? ? │├────┼──────┼───┼────┼──────┼────┤│2? ??