02医学信号数据采集系统设计2解析.ppt

一、概述：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），变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。 微处理器处理后的数据往往又需要使用数/模转换器（D/A）及适应的接口将其变换成模拟量送出。 医学信号数据采集系统组成 数据采集系统(图1)由多路开关、采样/保持器、放大器、A/D转换器、计算机等组成。 数据采集要经过采样、量化和编码三个步骤。采样过程由多路开关、采样/保持器完成(如信号变化很慢，也可以不用采样/保持器)。 多路开关将各路信号轮流切换到输入端。 A/D转换器将采样信号量化，将转换成的数字量输入到计算机中。 二、模拟量输入通道 2.1、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。 2.2 采样与保持 待采样的模拟信号是连续的，可看成无限多个瞬时值组成。 A/D转换是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 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有效分量的最高频率。 “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，如声音为20Hz～20000Hz。 复杂信号已知数学模型可用傅立叶变换算出，对于真实信号可用频谱分析仪测得，也可用试验的方法选取最合适的fS ，或根据最小时间周期确定。 2.3 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。 2.4 编码 编码是对量化数据的表述形式，往往涉及到A/D转换的具体应用。 一般用二进制数码表示。 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。 2.5 A/D转换器的技术指标 1．分辨率 A/D转换器的分辨率指转换器能分辨最小模拟量的量化信号的能力。 A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或BCD码数的位数来表示。 如ADC0809的分辨率为8位，即表示该转换器可以用28（256）个二进制数对输入模拟量进行量化，其分辨率为1LSB（最低有效位值），若最大允许输入电压为10V，则可计算出它能分辨输入模拟电压的最小变化量1LSB=10÷256=39.06mV。 2. 转换精度 转换精度反映实际A/D转换器与理想A/D转换器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示 （1）绝对精度 指的是在A/D输出端产生给定的数字代码，实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。 （2）相对精度 指的是A/D满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值与理论值之差与满度值之比。 3．转换速率 转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可以表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。 例如，某A/D转换器的转换速率为500KHz，则其转换时间是200?s。? 4.满刻度范围 满刻度范围是指A/D所允许输入电压范围。如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。 满刻度只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入值总比满刻度小1/2n （n为转换器的位数）。这是因为0值也是2n个转换器状态中的一个。 例如12位的A/D转换器，其满刻度值为 1111 1111 1111（b）,如果对应0～10V输入，实际允许的最大输入电压值为: 10-10*1/212=9.9976（V） 2.6 A/D转换器 ?常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。 逐次逼近式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在1～100?s之间，转换精度一般在0.1%（8～12位）上下，适用于一般场合。 积分式A/D转换器速度较慢，其转换时间一般在ms级。适用于要求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。 并行式又称闪烁式，采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，可用于医学图象处理等转换速度较快的仪器中。 2.6.1