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1、数字化医疗仪器数字化医疗仪器l第二章第二章 医学信号医学信号数据采集系统设数据采集系统设计计数据采集系统是医学信号数字化的基础数据采集系统是医学信号数字化的基础 l 人体的各种物理量，如生物电位、心音、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检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送模模/数转换器（数转换器（A/D），），变
2、成适合于微处理机使变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。用的数字量供系统处理。l 同样，微处理器处理后的数据往往又需要同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数使用数/模转换器（模转换器（D/A）及适应的接口将其变及适应的接口将其变换成模拟量送出，如图换成模拟量送出，如图2-1所示。所示。 模拟量输入模拟量输入/ /输出通道示意输出通道示意A/D转换器及其接口统称为模拟量输入通道；转换器及其接口统称为模拟量输入通道；D/A转换器及相应接口称为模拟量输出通道。转换器及相应接口称为模拟量输出通道。 2.1 2.1 模拟量输入通道模拟量输入通道2.1.1 A/D2.1.1 A/D转换器概述转换器
3、概述l一概述一概述l A/DA/D转转换换器器是是将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量的的器器件件，这这个个模模拟拟量量泛泛指指电电压压、电电流流、时时间间等等参参量量, ,但但通通常常情情况况下下，模模拟拟量量是是指指电电压压参参量量。在在A/DA/D转转换换的的过过程程中中通通常常要要完完成成采采样样、量量化化和和编编码码三个步骤。三个步骤。1 1 采样采样l 待待采采样样的的模模拟拟信信号号是是连连续续的的，可可看看成成无无限限多多个个瞬瞬时时值值组组成成，而而A/DA/D转转换换以以及及计计算算机机处处理理需需要要一一定定的的时时间间，不不可可能能把把每每一一个个瞬瞬时时值值都都转
4、转换换成成数数字字量量。必必须须在在连连续续变变化化的的模模拟拟量量上上按按周周期期取取样样的的规规律律取取出出某某一一些些瞬瞬时时值值来来代表这个模拟量，这个过程就是采样。代表这个模拟量，这个过程就是采样。l 采采样样是是通通过过采采样样保保持持电电路路实实现现的的，采采样样器器（电电子子模模拟拟开开关关）在在控控制制脉脉冲冲s(t)s(t)的的控控制制下下，周周期期性性地地把把随随时时间间连连续续变变化化的的模模拟拟信信号号f(t)f(t)转变为时间上的离散的模拟信号转变为时间上的离散的模拟信号f fs s(t(t) )。l仅仅在在采采样样瞬瞬间间允允许许输输入入信信号号f(t)通通过过采
5、采样样器器，其其它它时时间间断断开开。采采样样器器的的输输出出fS(t)是是一一串串窄窄脉脉冲冲，脉脉冲冲的的包络线是与输入信号相同的。包络线是与输入信号相同的。图2-2 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？输出信号能否如实反映原始输入信号？l采采样样得得的的信信号号f fs s(t(t) )的的值值和和原原始始输输入入信信号号f(t)f(t)在在相相应应的的瞬瞬时时值值相相同同，因因此此采采样样后后的的信信号在量值上仍然是连续的。号在量值上仍然是连续的。l 可可以以证证明明：当当采采样样器器的的采采样样频频率率f fs s高高于于或或至至少少等等于于输输入入信信号号最最高高
6、频频率率f fm m的的两两倍倍时时（即即f fs s 2f2fm m时时），采采样样输输出出信信号号f fs s(t(t) )（采采样样器器脉脉冲冲序序列列）能能代代表表或或恢恢复复成成输输入入模模拟拟信信号号f(t)f(t)，这就是这就是采样定理采样定理。 如何知道输入信号如何知道输入信号f(t)f(t)的频率，特的频率，特别是它的最高频率别是它的最高频率fm fm ？l 信信号号“最最高高频频率率”指指的的是是输输入入信信号号经经频频谱谱分分析析后后得得到到的的最最高高频频率率分分量量。“恢恢复复”指指的的是是样样品品序序列列f fS S(t(t) )通通过过截截止止频频率率为为f fm
7、 m的的理理想想低通滤波器后，能得到的原始信号低通滤波器后，能得到的原始信号f(t)f(t)。l 在在应应用用中中，一一般般取取采采样样频频率率f fs s为为最最高高频频率率f fm m 的的4 48 8倍倍。 l 简简单单模模拟拟信信号号的的频频谱谱范范围围是是已已知知的的，如如温温度度低低于于1Hz1Hz，声声音音为为20Hz20Hz20000Hz20000Hz。复复杂杂信信号号要要用用傅傅立立叶叶变变换换算算出出，或或用用频频谱谱分分析析仪仪测得，也可用试验的方法选取最合适的测得，也可用试验的方法选取最合适的f fs s 。2.2.量化量化l 所谓量化，就是以一定的量化单位把数值所谓量
8、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上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。过程。l 量化相当于只取近似整数商的除法运算。量化相当于只取近似整数商的除法运算。l 量量化化单单位位用用q q表表示示，对对于于模模拟拟量量小小于于一一个个q q的的部部分分，可可以以用用舍舍掉掉的的方方法法使使之之整整量量化化，通通常常为为了了减减少少误误差差采采用用“四四舍舍五五入入”的的方方法法使使之之整整量量化化。这这种种量量化化方方法法的的输输入入输输出出特特性性如如图图2-32-3所所示示，图图中中虚虚线线表表示示量量化化单单位位为为0 0时时的的特特性性，实线表示
9、实际特性。实线表示实际特性。图2-3 量化特性和量化误差 量化过程舍入误差为量化误差。以量化过程舍入误差为量化误差。以=x(t)-y(t)表示量化表示量化误差，量化误差有正有负（图误差，量化误差有正有负（图2-3(c)）,最大为最大为q/2，平均平均误差为误差为0。最大误差随量化单位而改变，。最大误差随量化单位而改变，q愈小愈小也愈小。也愈小。3 3 编码编码l 编编码码往往往往涉涉及及到到A/DA/D转转换换的的具具体体应应用用，若若考虑为双极性信号，可采用补码方式。考虑为双极性信号，可采用补码方式。二二A/DA/D转换器的技术指标转换器的技术指标1 1分辨率分辨率l A/DA/D转转换换器
10、器的的分分辨辨率率: :转转换换器器能能分分辨辨最最小小的量化信号的能力。的量化信号的能力。l 分分辨辨率率取取决决于于A/DA/D转转换换器器的的位位数数，习习惯惯上上以输出二进制数的位数来表示。以输出二进制数的位数来表示。l 如如ADC0809ADC0809转转换换器器的的分分辨辨率率为为8 8位位，表表示示可可以以用用2 28 8个个二二进进制制数数对对输输入入模模拟拟量量进进行行量量化化，其其分分辨辨率率为为1LSB1LSB（最最低低有有效效位位值值），若若最最大大允允 许许 输输 入入 电电 压压 为为 10V10V， 则则 1LSB=10V/ 1LSB=10V/ 2 28 8 =3
11、9.06mV=39.06mV。 2. 2. 转换精度转换精度l 转转换换精精度度反反映映实实际际A/DA/D转转换换器器与与理理想想A/DA/D转转换换器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示器量化值上的差。用绝对或相对误差来表示l（1 1）绝对精度）绝对精度 指指的的是是在在A/DA/D输输出出端端产产生生给给定定的的数数字字代代码码，实实际际需需要要的的模模拟拟输输入入值值与与理理论论上上要要求求的的模模拟拟输输入入值值之差（中间模拟值）。之差（中间模拟值）。l（2 2）相对精度）相对精度 指指的的是是A/DA/D满满度度值值校校准准以以后后，任任一一数数字字输输出出所所对对应应的的实实际际
12、模模拟拟输输入入值值（中中间间值值）与与理理论论值值（中中间值）之差。间值）之差。3 3转换速率转换速率 转转换换速速率率: :指指A/DA/D转转换换器器在在每每秒秒钟钟内内所所能完成的转换次数。能完成的转换次数。 这这个个指指标标也也可可以以表表述述为为转转换换时时间间，即即A/DA/D转转换换从从启启动动到到结结束束所所需需的的时时间间，两两者者互互为倒数。为倒数。 例例如如，某某A/DA/D转转换换器器的的转转换换速速率率为为5KHz5KHz，则其转换时间是则其转换时间是200200 s s。4.4.满刻度范围满刻度范围 满满刻刻度度范范围围: :指指A/DA/D所所允允许许输输入入电
13、电压压范范围围。如如（0 05 5）V V，（，（0 01010）V V，（，（-5-5+5+5）V V等。等。 满满刻刻度度只只是是个个名名义义值值，实实际际的的A/DA/D转转换换器器的的最最大大输输入入值值总总比比满满刻刻度度小小1/21/2n n（n n为为转转换换器器的的位位数数）。这这是是因因为为0 0值值也也是是2 2n n个个转转换换器器状状态态中中的的一一个。个。 例例如如1212位位的的A/DA/D转转换换器器，其其满满刻刻度度值值为为10V10V，而实际允许的最大输入电压值为而实际允许的最大输入电压值为: : 10V*210V*212-112-1/2/21212=9.99
14、76V=9.9976V。A/DA/D转换器的种类转换器的种类常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。l 逐逐次次逼逼近近式式: :转转换换时时间间与与转转换换精精度度比比较较适适中中，转转换换时时间间一一般般在在1 1100100 s s之之间间，转转换换精精度度一一般般在在0.1%0.1%上下，适用于一般场合。上下，适用于一般场合。l 积积分分式式: :转转换换时时间间一一般般在在msms级级。适适用用于于要要求求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。l 并并行行式式: :采采用用并并行行比比较较，转转换换速速率率
15、可可以以很很高高，其其转转换换时时间间可可达达nsns级级，可可用用于于医医学学图图象象处处理理等等转换速度较快的仪器中。转换速度较快的仪器中。2.1.22.1.2逐次逼近式逐次逼近式ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理概述原理概述lN N位位的的逐逐次次逼逼近近式式A/DA/D转转换换器器（图图2-42-4），由由N N位位寄寄存存器器、N N位位D/AD/A转转换换器器、比比较较器器、逻逻辑辑控控制电路、输出缓冲器等五部分组成。制电路、输出缓冲器等五部分组成。l 工工作作原原理理：启启动动信信号号作作用用后后，时时钟钟信信号号先先通通过过逻逻辑辑控控制制电电路路使使N N位位
16、寄寄存存器器的的最最高高位位D DN-1N-1为为1 1，以以下下各各位位为为0 0，这这个个二二进进制制代代码码经经D/AD/A转转换换器器转转换换成成电电压压U U0 0（此此时时为为全全量量程程电电压压的的一一半半）送送到到比比较较器器与与输输入入模模拟拟电电压压U UX X比比较较。若若U UX XUU0 0，则保留这一位；若则保留这一位；若U UX XUU0 0，则，则D DN-1N-1 位置位置0 0。逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D原理概述原理概述lD DN-1N-1位位比比较较完完毕毕后后，再再对对下下一一位位即即D DN-2N-2位位进进行行比比较较，控控制制电电路路使使寄寄
17、存存器器D DN-2N-2为为1 1，其其以以下下各各位位仍仍为为0 0，然然后后再再与与上上一一次次D DN-1N-1结结果果一一起起经经过过D/AD/A转转换换后后再再次次送送到到比比较较器器与与U UX X相相比比较较。如如此此一一位位一一位位地地比比较较下下去去，直直至至最最后后一一位位D D0 0比比较较完完毕毕为为止。止。l 最最后后，发发出出EOCEOC信信号号表表示示转转换换结结束束。这这样样经经过过N N次次比比较较后后，N N位位寄寄存存器器保保留留的的状状态态就就是是转转换换后的数字量数据。后的数字量数据。图图2-4 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的结构转换器的结构 A
18、/DA/D转换器实际转换过程已不重要转换器实际转换过程已不重要l 目前，逐次逼近式目前，逐次逼近式A/DA/D转换器大都做成单片转换器大都做成单片集成电路的形式，使用时只需发出集成电路的形式，使用时只需发出A/DA/D转换启动转换启动信号，然后在信号，然后在EOCEOC端查知端查知A/DA/D转换过程结束后，取转换过程结束后，取出数据即可。出数据即可。l 这类芯片有这类芯片有ADC0809ADC0809、ADC1210ADC1210、ADC7574ADC7574、AD574AD574、TLC549TLC549、MAX1241MAX1241等是应用得最多的等是应用得最多的A/DA/D转换器类型。
19、转换器类型。ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口lADC0809ADC0809是是8 8路路8 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/DA/D转换器。转换器。它能分时地对它能分时地对8 8路模拟量信号进行路模拟量信号进行A/DA/D转换，结转换，结果为果为8 8位二进制数据，结构如图位二进制数据，结构如图2-52-5所示，它由所示，它由三大部分组成：三大部分组成：l第一部分是第一部分是:8:8路输入模拟量选择电路；路输入模拟量选择电路；l第二部分是第二部分是: :一个逐次逼近式一个逐次逼近式A/DA/D转换器；转换器；l第三部分是第三部分是: :三态输出缓冲锁存器。三态输出缓冲锁存器。
20、 ADC0809ADC0809原理结构图原理结构图 图图2-5 ADC0809原理结构图原理结构图 8 8路输入模拟量选择电路路输入模拟量选择电路l8 8路路输输入入模模拟拟量量选选择择电电路：路：l 8 8路路输输入入模模拟拟量量信信号号分分别别接接到到ININ0 0到到ININ7 7端端，究究竟竟选选通通哪哪一一路路去去进进行行A/DA/D转转换换由由地地址址锁锁存存器器与与译译码码器器电电路路控控制，见右表所示。制，见右表所示。l A A，B B，C C为为输输入入地地址址选选择择线线，地地址址信信息息由由ALEALE的的上上升沿打入地址锁存器升沿打入地址锁存器。ALEALEC B AC
21、 B A接通信号接通信号1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 ININ0 0ININ1 1ININ2 2ININ3 3ININ4 4ININ5 5ININ6 6ININ7 7均不通均不通表表2-1 ADC0809真值表真值表 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器l STARTSTART为为启启动动信信号号，要要求求输输入入正正脉脉冲冲信信号号，在在上上升升沿沿复复位位内内部部逐逐次次逼逼近近寄寄存存器器，在在下
22、下降降沿沿启启动动A/DA/D转转换换。EOCEOC为为转转换换结结束束标标志志位位，“0”0”表表示示正正在在转转换换，“1”1”表表示示一一次次A/DA/D转转换换的的结结束束。CLOCKCLOCK为为外外部部时时钟钟输输入入信信号号，时时钟钟频频率率决决定定了了A/DA/D转转换换器器的的转转换换速速率率，ADC0809ADC0809每每一一通通道道的的转转换换约约需需（66667373）个个时时钟钟周周期期，当当 时时 钟钟 频频 率率 取取 640KHz640KHz时时 ， 转转 换换 一一 次次 约约 需需100100 s s时时间间，这这是是ADC0809ADC0809所所能能允
23、允许许的的最最短短转转换时间。换时间。三态输出缓冲锁存器三态输出缓冲锁存器lA/DA/D转转换换的的结结果果就就是是由由EOCEOC信信号号打打入入三三态态输出缓冲锁存器。输出缓冲锁存器。l OEOE为为输输出出允允许许信信号号，当当向向OEOE端端输输入入一一个个高高电电平平时时，三三态态门门电电路路被被选选通通，这这时时便便可可读读取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。取结果。否则缓冲锁存器输出为高阻态。 ADC0809ADC0809的时序图的时序图l ADC0809ADC0809的时序图如图的时序图如图2-62-6所示。所示。l 启启动动ADC0809ADC0809后后，EOCEOC约约在
24、在1010 s s后后才才变变为为低低电电平平，因因而而在在用用STARTSTART启启动动08090809转转换换器器后后，不不能能立立即即通通过过检检测测EOCEOC来来判判断断转转换换是是否否结结束束，而而应应等等待待约约1010 s s再再检检测测，否否则则会会出出现现错错误误结结果。果。图图2-6 ADC0809时序图时序图 ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口电路接口电路l ADC0809ADC0809输输出出带带有有三三态态输输出出缓缓冲冲锁锁存存器器，因因而而不不加加I/OI/O接接口口芯芯片片，可可以以直直接接接接到到微微机机系系统的总线上。统的总
25、线上。 l ADC0809ADC0809的的时时钟钟信信号号（CLOCKCLOCK）由由80318031的的ALEALE端端的的输输出出脉脉冲冲（其其频频率率为为80318031时时钟钟频频率率的的1/61/6）经经二二分分频频得得到到，80318031由由地地址址线线P P2.02.0和和读读写写控控制制线线启启动动ADC0809ADC0809的的STARTSTART、地地址址锁锁存存ALEALE和和输输出出允允许许OEOE信信号号。A/DA/D转转换换结结束束信信号号EOCEOC反反相相后后连连至至80318031的的INTINT1 1（P P3.33.3）。模模拟拟输输入入通通道道地地址
26、址的的译译码码输输入入信信号号A A，B B，C C由由P P0.00.0P P0.20.2提提供供。根根据据以上连接，以上连接，08090809的地址为的地址为FEFFHFEFFH。图图2-7ADC0809与单片机与单片机8031接口电路接口电路A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常用的软件控制方式l 常常用用的的控控制制方方式式主主要要有有：程程序序查查询询方方式式、延时等待方式和中断方式。延时等待方式和中断方式。l1 1程序查询方式程序查询方式l微微处处理理器器向向A/DA/D转转换换器器发发出出启启动动信信号号后后，读读入入转转换换结结束束信信号号，查查询询转转换换是是否否结结束束；
27、若若转转换换结结束束，可可以以读读入入数数据据；否否则则再再继继续续查查询询，直直至至转换结束再读入数据。转换结束再读入数据。l微微机机“查查询询”消消耗耗时时间间，效效率率低低，但但比比较较简单，可靠性高。实际应用还是比较普遍的。简单，可靠性高。实际应用还是比较普遍的。A/DA/D转换常用的软件控制方式转换常用的软件控制方式l2 2延时等待方式延时等待方式l启动启动A/DA/D后，根据后，根据A/DA/D转换所需的时间（如转换所需的时间（如ADC0809ADC0809为为100100 s s）软件延时等待，延时结束，软件延时等待，延时结束，读入数据。这种方法可靠性高，不占查询端口。读入数据。
28、这种方法可靠性高，不占查询端口。l3 3中断方式中断方式l微处理器启动微处理器启动A/DA/D转换后可转去处理其他转换后可转去处理其他事情事情，A/DA/D转换结束便向微处理器发出中断申转换结束便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。微处理器与微处理器与A/DA/D转换器并行工作，提高了工作转换器并行工作，提高了工作效率。效率。ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口实例接口实例l 以下图示的以下图示的ADC0809ADC0809与单片机与单片机80318031接口电接口电路，给出查询、延时和中断这三种方式下
29、的转路，给出查询、延时和中断这三种方式下的转换程序。换程序。l 转换程序是将由转换程序是将由ININ0 0端输入的端输入的0 05V5V模拟信模拟信号转换为对应的数字量号转换为对应的数字量00H00HFFHFFH，然后再存入然后再存入80318031内部内部RAMRAM的的30H30H单元中。单元中。a.a.查询方式查询方式l MOV DPTR,#0FEFFHl MOV A,#00H;赋通道赋通道0地址地址l MOVX DPTR,A ;启动启动IN0转换转换l MOV R2,#20Hl DLY: DJNZ R2,DLY ;延时延时,等待等待EOC变低变低lWAIT: JB P3.3,WAIT
30、;查询查询,等待等待EOC变高变高l MOVX A,DPTRl MOV 30H,A ;结果存结果存30Hb.b.延时等待方式延时等待方式lMOV DPTR,#0FEFFHl MOV A,#00H ;赋通道赋通道0地址地址l MOVX DPTR,A ;启动启动IN0转换转换l MOV R2,#40Hl WAIT: DJNZ R2,DLY ;延时约延时约120uSl MOVX A,DPTRl MOV 30H,A ;结果存结果存30H c.c.中断方式中断方式l主程序：主程序：l MAIN:SETB IT1 ；选；选INT1为边沿触发为边沿触发lSETB EX1 ；允许允许INT1中断中断 lSET
31、B EA ；打开中断打开中断lMOV DPTR,#0FEFFHlMOV A,#00H lMOVX DPTR,A ；启动启动A/D转换转换l ；执行其他任务；执行其他任务中断服务程序中断服务程序INT1:PUSHDPL；保护现场保护现场PUSHDPHPUSHAMOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,DPTR；读转换结果读转换结果MOV30H,A；结果存结果存30HMOVA,00HMOVXDPTR,A；启动下一次转换启动下一次转换POP APOPDPHPOPDPL；返回现场返回现场RETI；返回返回AD574AD574芯片及其接口芯片及其接口lAD574AD574是是1212位快速逐次逼近型位快
32、速逐次逼近型A/DA/D转换器，其转换器，其最快转换时间为最快转换时间为2525 s s，转换误差为转换误差为 1LSB1LSB。AD574AD574具有下述几个基本特点：片内含有电压基具有下述几个基本特点：片内含有电压基准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量准和时钟电路等，因而外围电路较少；数字量输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器输出具有三态缓冲器，因而可直接与微处理器接口；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接口；模拟量输入有单极性和双极性两种方式，接成单极性方式时，输入电压范围为接成单极性方式时，输入电压范围为010V010V或或020V020V，接成双极性方式时，输入电压范围为
33、接成双极性方式时，输入电压范围为- -5V5V,-10V10V5V5V,-10V10V。 图图2-8 AD574原理与引脚图原理与引脚图 AD574AD574原理与主要引脚信号定义原理与主要引脚信号定义lCS CS ：片选信号，低电平有效。片选信号，低电平有效。lCECE：片使能信号，高电平有效。片使能信号，高电平有效。lR/C R/C ：读读/ /启启动动信信号号，高高时时读读A/DA/D转转换换结结果果，低低时启动时启动A/DA/D转换。转换。l12/8 12/8 ：输输出出数数据据长长度度控控制制信信号号，高高为为1212位位，低低为为8 8位。位。lSTSSTS：工作状态信号，高为正在
34、转换，低为转换工作状态信号，高为正在转换，低为转换结束。结束。 lA A0 0：有有两两种种含含义义：当当R/CR/C为为低低时时，A0为为高高，启启动动8位位A/D转换；转换；A0为低，启动为低，启动12位位A/D转换。转换。l当当R/CR/C为为高高时时，A0为为高高，输输出出低低4位位数数据据；A0为为低，输出高低，输出高8位数据位数据l上上述述5个个信信号号的的组组合合所所对对应应的的A/D转转换换器器的的状状态态见表见表2-2所示。所示。lSTSSTS：工作状态信号，高表示正在转换，低表示工作状态信号，高表示正在转换，低表示转换结束。转换结束。lREF INREF IN：基准输出线。
35、基准输出线。lBIP OFFBIP OFF：单极性补偿。单极性补偿。lDBDB1111DBDB0 0：12位数据线。位数据线。l10VIN10VIN，20VIN20VIN：模拟量输入端。模拟量输入端。表表2-2 AD5742-2 AD574的操作的操作表表2-2 AD574的操作的操作AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路l根据根据AD574各引脚的功能，各引脚的功能，8031单片机单片机与与AD574的接口电路可按如图的接口电路可按如图2-9所示电路来所示电路来安排。由于安排。由于8031的高的高8位地址位地址P2.0P2.7没有使没有使用，故可采用寄存器间
36、接寻址方式。其中启用，故可采用寄存器间接寻址方式。其中启动动A/D的地址为的地址为1FH，读出低读出低4位数地址为位数地址为7FH，读出高读出高8位数地址为位数地址为3FH。图图2-9AD574与与8031单片机的接口电路单片机的接口电路AD574AD574与与80318031单片机的接口电路单片机的接口电路l图中图中STS可有三种接法以对应三种控制方可有三种接法以对应三种控制方式：式：l(1)如如STS空着，单片机只能采取延时等待方空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时式，在启动转换后，延时25 s以上时间，再以上时间，再读入读入A/D转换结果；转换结果；l(2)如如STS接单
37、片机一条端口线，单片机就可接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待以用查询的方法等待STS为低后再读入为低后再读入A/D转转换结果；换结果；l(3)如如STS接单片机外部中断线，就可以在引接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入起单片机中断后，再读入A/D转换结果。转换结果。采用延时等待方式的控制程序清单：采用延时等待方式的控制程序清单：MOVR0，#1FH；启动启动MOVX R0，AMOVR7，#10H；延时延时DJNZR7，$MOVR1，#7FH；读低读低4位位MOVX A，R1MOVR2，A；存低存低4位位MOVR1，#3FH；读高读高8位位MOVX A，R1MOVR
38、3，A；存高存高8位位SJMP$单极性模拟输入方式接线的调整单极性模拟输入方式接线的调整l单极性模入方式单极性模入方式(图图2-9)中，中，10VIN输入输入电压范围为电压范围为0V10V，1LSB对应的模拟对应的模拟电压为电压为2.44mV；20VIN输入电压范围为输入电压范围为0V20V，1LSB对应的模拟电压为对应的模拟电压为4.88mV。R1用用于零点调整，于零点调整，R2用于满刻度校准。方法为：用于满刻度校准。方法为：l如输入电压接如输入电压接10VIN端，调整端，调整R1，使输入使输入模拟电压为模拟电压为1.22mV（即即12LSB）时，输出时，输出数字量从数字量从00000000
39、0000变到变到000000000001；l调整调整R2，使得输入电压为使得输入电压为9.9963V时，数时，数字量从字量从111111111110变到变到111111111111。双极性模拟输入方式的调整双极性模拟输入方式的调整l对对于于双双极极性性模模入入方方式式，把把REFIN，REFOUT，和和BIPOFF三三个个引引脚脚的的接接线线按按图图2-10重重新新安安排排，双双极极性性模模入入方方式式零零点点与与满满刻刻度度校校准准方方法法与与单单极极性性方方式式近近似似。需需要要注注意意的的是是，输输入入模模拟量与输出数字量之间的对应关系为：拟量与输出数字量之间的对应关系为：l10VIN端
40、端输输入入时时：5V0V十十5V对对应应000H800HFFFHl20VIN端端输输入入时时：一一10V0V十十10V对对应应000H800HFFFH图图2-10 AD574双极性模拟输入接线方式双极性模拟输入接线方式 MAX1241MAX1241芯片及其接口芯片及其接口l以以串串行行数数据据形形式式输输出出的的A/D转转换换器器具具有有引引脚脚少少、体体积积小小的的特特点点；接接口口所所需需的的IO位位数数也也比比较较少少。有有利利于于提提高高仪仪器器的的集集成成度度和和减减小小体体积积，能能方方便便、廉廉价价地地实实现现需需要要进进行行模模拟拟与与数数字字隔隔离离的的场场合。合。l串串行行
41、输输出出的的AD转转换换器器虽虽有有多多种种型型号号，接接口口时时序序也也有有所所不不同同。但但接接口口的的实实现现和和控控制制方方法法还还是是基基本本相相同同的的。现现以以MAX1241为为例例来来说说明明串串行行输出输出ADC接口技术。接口技术。MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介lMAX1241是一种低是一种低功耗、低电压的功耗、低电压的12位位逐次逼近型逐次逼近型ADC，最最大非线性误差小于大非线性误差小于1LSB，转换时间转换时间9 s。采用三线式串行接口，采用三线式串行接口，内置快速采样保持内置快速采样保持电路。其结构和引脚电路。其结构和引脚定义
42、如图定义如图2-11所示。所示。图图2-11MAX1241内部结构和管脚定义内部结构和管脚定义 MAX1241MAX1241串行输出单片串行输出单片ADCADC简介简介lMAX1241采用采用8引脚引脚DIP或或SO形式封装，形式封装，完善的内部电路几乎不需要外围器件即能工完善的内部电路几乎不需要外围器件即能工作。作。l内置采样内置采样/保持电路在保持电路在AD转换开始时，转换开始时，自动捕捉信号，最大捕捉时间自动捕捉信号，最大捕捉时间1.5 s。l12位逐次逼近型位逐次逼近型ADC的并行输出经输的并行输出经输出移位寄存器变换为串行输出，整个工作过出移位寄存器变换为串行输出，整个工作过程受控于
43、三线串行接口。程受控于三线串行接口。表表2-3 MAX1241管脚功能管脚功能 MAX1241MAX1241采采用用单单电电源源供供电电，动动态态功功耗耗在在以以每每秒秒73K73K转转换换速速率率工工作作时时，仅仅需需0 09mA9mA电电流流。在在停停止止转转换换时时，可可通通过过控控制制端端使使其其处处于于休休眠眠状状态态，以以降降低低静静态态功功耗耗。休休眠方式下，电源电流仅眠方式下，电源电流仅1 1 A A。MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序lMAXI241的的工工作作时时序序（图图2-12）：每每次次转转换换由由芯芯片片选选通通信信号号的的下下降降沿沿触触发发，但
44、但此此时时驱驱动时钟动时钟SCLK必须为低。必须为低。lAD转转换换启启动动后后，内内部部控控制制逻逻辑辑切切换换采采样样保保持持电电路路为为保保持持状状态态，并并使使输输出出数数据据线线DOUT变变低低。在在整整个个转转换换期期内内,SCLK应应保保持持低低电平。转换结束时电平。转换结束时DOUT由低变高。由低变高。l一一次次转转换换结结束束，内内部部控控制制逻逻辑辑将将自自动动把把采采样保持器切换为捕捉状态。样保持器切换为捕捉状态。图图2-12MAX1241工作时序工作时序 MAXI 241MAXI 241的工作时序的工作时序l对对MAX1241转换结果的输入在转换结束后转换结果的输入在转
45、换结束后进行，由驱动时钟进行，由驱动时钟SCLK的下降沿触发一位数的下降沿触发一位数据输出。据输出。l在下一个在下一个SCLK脉冲下降沿到来前，该位脉冲下降沿到来前，该位数据将始终保持在数据将始终保持在DOUT输出端上。输出端上。l数据输出从最高位开始，每个数据输出从最高位开始，每个SCLK脉冲脉冲下降沿输出一位。第下降沿输出一位。第12个个SCLK的下降沿输出的下降沿输出最低位。在数据输出周期内，必须保持低电平，最低位。在数据输出周期内，必须保持低电平，若在第若在第13个个SCLK下降沿后，仍保持低电平，下降沿后，仍保持低电平，DOUT则一直保持为低电平。则一直保持为低电平。2 2MAX12
46、41 MAX1241 与与 803180315151的接口的接口lMAX1241与与微微机机接接口口的的实实现现有有二二种种选选择择，一一是是使使用用普普通通端端口口，利利用用程程序序实实现现串串行行输输入入。另另一一种种则则是是直直接接使使用用串串行行接接口口。前前者者输输入入速速度度低，后者需占用串行通信口。低，后者需占用串行通信口。l（l）MAX1241与与8031/51的通用的通用IO方式接口方式接口：lMAX1241与与8031/51的的通通用用IO接接口口如如图图2-13所所示示。接接口口使使用用三三位位通通用用IO端端口口P1.0P1.2。其其中中P1.0用用于于片片选选信信号号
47、，P1.1产产生生驱驱动动脉脉冲冲SCLK，P1.2为数据输入为数据输入。 控控制制程程序序如如下下：控控制制子子程程序序完完成成一一次次A/D转转换换和和输输入，输入数据存放于入，输入数据存放于R0，R1寄存器。寄存器。；寄存器及端口定义：；寄存器及端口定义：CS：BITP1.0；片选信号位片选信号位DOUT：BITP1.2；串行数据输入位串行数据输入位SCLK：BITP1.1；驱动时钟位驱动时钟位DATA_BH：EQUR0；高字节数据存储单元高字节数据存储单元DATA_BL：EQUR1；低字节数据存储单元低字节数据存储单元CONT_H：EQUR0；高位取数计数器高位取数计数器CONT_L：
48、EQUR1；低低8位取数计数器位取数计数器 ；控制子程序；控制子程序SADC_R：XRLA，A；清；清AMOVCONT_H，04H；高高8位计数位计数MOVCONT_L，08H；低低8位计数位计数CLRSCLK；SCLK置置“0”CLRCS；选中选中1241，启动转换，启动转换SADCEND：JNBDOUT，SADC_END；检测检测A/D转换结束转换结束READ_H： SETBSCLKCLRSCLK；产生一个驱动时钟产生一个驱动时钟MOVC，DOUT；输入一位数据输入一位数据RLCA；数据移位至数据移位至ACC0DJNZCONT_H，READ_H；高高4位输入结束判别位输入结束判别MOVDA
49、TA_BH，A；高高4位数据送寄存器位数据送寄存器READ_L：SETBSCLKCLRSCLK；产生一个驱动时钟产生一个驱动时钟MOVC，DOUT ；输入一位数据输入一位数据RLCA；数据移位置数据移位置ACC0DJNZCONT_L，READ_L；低低8位输入结束判别位输入结束判别MOVDATA_BL，A；低低8位数据送寄存器位数据送寄存器SETBSCLKCLRSCLK；清清DOUT输出输出SETBCS；撤消片选撤消片选RET（2 2）MAX1241MAX1241与与803180315151串行接口串行接口l当当使使用用803151串串行行口口实实现现与与MAX1241联联接接时时，串串行行口
50、口应应工工作作于于同同步步移移位位寄寄存存器器方方式式（方方式式0）。此此时时，串串行行口口的的接接受受数数据据端端RXD（P3.0）被被用用于于接接受受MAX1241的的输输出出数数据据。而而发发送送数数据据端端TXD（P3.1）则则被被用用于于提提供供驱驱动动时时钟钟，为为满满足足时时序序要要求求；应应将将其其反反相相。片片选选信信号号仍使用仍使用P1.0。接口电路如图接口电路如图2-14所示。所示。8031/518031/51串行接口控制程序串行接口控制程序l由由于于8031/51串串行行口口一一次次只只能能接接受受8位位数数据据，故故12位位AD转换结果必须分二次接受。转换结果必须分二
51、次接受。l同同前前述述程程序序直直接接输输入入一一样样，控控制制程程序序必必须须检检测测AD转转换换结结束束信信号号，即即DOUT的的上上跳跳变变，只只要要当当DOUT变变为为高高电电平平后后，方方能能启启动动串串行行接接受。受。l接口控制程序如下所示接口控制程序如下所示:MAX1241ADC串行接口控制子程序串行接口控制子程序；寄存器及端口定义；寄存器及端口定义CS：BITP1.0EOC：BITP3.0DATA_BH： EQUR0；接受数据高位存储寄存器接受数据高位存储寄存器DATA_BL：EQUR1；接受数据低位存储寄存器接受数据低位存储寄存器；串行口设置子程序；串行口设置子程序SPOR_
52、SET：CLRES ；禁止串行中断禁止串行中断MOVSCON，00H；串行口为方式串行口为方式0，停止接受，停止接受SETBCS；禁止禁止ADCRET；接口控制子程序；接口控制子程序SAD_SR：CLRCS；启动启动AD转换转换AD_NEND：JNBEOC，AD_NEND；等待转换结束等待转换结束SETBREN；启动串行接收启动串行接收FR_NEND： JNBRI，FR_NEND；等待接收结束等待接收结束MOVDATA_BH，SBUF ；从串行数据缓冲器输从串行数据缓冲器输 入高入高8位数据位数据CLRRI；启动第二次接收启动第二次接收SR_NEND：JNBRI，SR_NEND；等待接收结束等
53、待接收结束MOVDATA_BL，SBUF ；从串行数据缓冲器从串行数据缓冲器 输入低输入低4位数据位数据CLRREN；停止接收停止接收SETBCS；禁止禁止ADCRET2 21 13 3 积分式积分式ADCADCl大大多多用用于于低低速速、廉廉价价的的积积分分型型AD转转换换器器中中，几几乎乎无无一一例例外外地地采采用用了了十十进进制制编编码码方方式式，每每次次输输出出一一位位并并行行十十进进制制编编码码，整整个个转转换换结结果果分分若若干干次次输输出出。这这种种低低速速、廉廉价价但但高高精精度度、强强抗抗干干扰扰的的集集成成A/D转转换换器器以以其其优优良良的的性能价格比被广泛应用于低速测量
54、领域。性能价格比被广泛应用于低速测量领域。1 1MC14433 3MC14433 3位双积分位双积分ADCADClMC14433是是具具备备零零漂漂补补偿偿和和采采用用CMOS工工艺艺制制造造的的3位位单单片片双双积积分分A/D转转换换器器，最最大大输输出出数数码码1999，具具有有功功耗耗低低、输输入入阻阻抗抗高高和和自自动动调调零零、自自动动极极性性转转换换功功能能。其其转转换换精精度度为为土土（005Vi1LSB），输输入入电电阻阻大大于于100M,对对应应时时钟钟频频率率范范围围为为50150kHz，转转换换速速度度为为每每秒秒310次次。内内部部结结构构框框图图及及管管脚脚功功能能如
55、如图图2-15所示。所示。图图2-15 MC14433 ADC结构框图及管脚功能结构框图及管脚功能 MC14433采采用用土土5V供供电电电电源源，只只需需一一个个正正基基准准电电压压VR，其其与与输输入入电电压压Vi成成下下列列比比例例关系关系输出读数输出读数= 1999（2-1）当当满满量量程程时时Vi= VR 。 Vi输输入入有有2V和和200mV两两个个量量程程挡挡。当当满满度度电电压压为为1999V时时，VR取取2000V；当当满满度度电电压压为为1999mV时时，VR取取2000mV。当当然然，也也可可根根据据需需要要在在200mV2V之之间间任任意意选选择择VR的的值值，此此时时
56、，读读数数的的一一个个LSB所所对对应应的的输输入入电电压压则则需需通通过过式式2-1求得。求得。MC14433MC14433输出时序输出时序MC14433由由内内部部电电路路自自动动控控制制转转换换,无无需需外外加加启启动动信信号号，输输出出数数据据通通过过Q3Q0输输出出端端，逐逐位位输输出出BCD码码，并并不不断断重重复复。并并通通过过DS1DS4指指明明现现行行输输出出BCD码码是是十十进进制制位位中中的的某某一一位位(千千位位个个位位）。A/D转转换换结结束束，在在EOC端端输输出出一一正正脉脉冲冲，宽宽度度为为一一个个时时钟钟周周期期。输输出出数数据据更更新新需需通通过过DV端端的
57、的正正跳跳变变信信号号实实现现，通通常常将将EOC与与其其短短接接。其其整整个个输输出出时时序序如如图图2-16所所示示。在在千千位位输输出出时时，携携带带输输出出极极性性及及超超量量程程信信息息，如表如表2-4所示。所示。图图2-16MC14433输出时序输出时序MC14433MC14433千位编码定义千位编码定义表表2-4 MC14433千位编码定义千位编码定义 2 2MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口lMC14433输出不具有三态缓冲，故必须输出不具有三态缓冲，故必须通过接口方可挂接于微机总线。对于通过接口方可挂接于微机总线。对于803151单
58、片机而言，最简接的方法是直接与其单片机而言，最简接的方法是直接与其I/O端口相连。因端口相连。因MC14433为低速为低速ADC，所以宜所以宜采用中断方式接口。图采用中断方式接口。图2-17给出了其与给出了其与8031/51的接口电路的接口电路。图图2-17 MC14433ADC2-17 MC14433ADC与与 8031/518031/51的接口的接口 图图2-18 2-18 数据格式数据格式 MC14433ADCMC14433ADC与与 803180315151接口接口l接接口口使使用用P1口口，高高4位位输输入入BCD码码，低低4位位输输入入位位选选信信号号DS1DS4。EOC的的下下跳
59、跳沿沿触触发发中中断断。按按MC14433的的输输出出时时序序和和接接口口形形式式，控控制程序如下所示。制程序如下所示。l控制程序由中断启动，每次输入一个完整控制程序由中断启动，每次输入一个完整的转换结果，并存入的转换结果，并存入803151内部内部RAM。存入存入数据格式如图数据格式如图2-18所示。所示。2 21 14 4并行或特高速并行或特高速ADCADCl在在高高速速数数据据采采集集领领域域，如如图图像像处处理理、频频谱谱分分析析等等，双双积积分分式式和和逐逐次次逼逼近近型型AD转转换换器的转换速度都不能满足要求。器的转换速度都不能满足要求。l并并行行型型AD转转换换器器的的速速度度高
60、高，它它将将输输入入模模拟拟电电压压Vi与与一一系系列列标标准准电电压压同同时时进进行行比比较较，将比较的结果经过编码后得到二进制数据将比较的结果经过编码后得到二进制数据。并行或特高速并行或特高速ADCADC原理原理l3位位二二进进制制并并行行型型AD转转换换器器(图图2-19)由由标标准准电电压压源源经经电电阻阻分分压压后后得得到到m（m2n-1）个个标标准准电电压压（n是是转转换换后后得得到到二二进进制制位位数数）;每每一一个个分分压压后后的的标标准准电电压压与与输输入入模模拟拟电电压压Vi同同时时（并并行行）进进行行比比较较，若若输输入入模模拟拟电电压压大大于于标标准准电电压压，则则相相
61、应应的的比比较较器器输输出出为为“真真”（即即为为“1”），反反之之为为“假假”（即即“0”）；）；l经经数数字字编编码码后后，输输出出即即为为等等效效于于输输入入模模拟量的二进制数据。拟量的二进制数据。l一一个个n位位二二进进制制并并行行型型AD转转换换器器需需要要m（m2n-1）个比较器个比较器。图图2-19 并行型并行型AD转换器原理图转换器原理图 几点说明：几点说明：l由由图图可可知知，并并行行型型A/D转转换换器器的的精精度度取取决决于于几个因素：几个因素：l分压电阻精度要高，主要是一致性要好；分压电阻精度要高，主要是一致性要好；l比较器的灵敏度要能鉴别两个相邻标准电压；比较器的灵敏
62、度要能鉴别两个相邻标准电压；l标准电压源标准电压源VR的精度也有一定的要求。的精度也有一定的要求。l并并行行ADC的的速速度度主主要要取取决决于于比比较较器器的的响响应应速速度及数据寄存器（度及数据寄存器（D触发器）的响应时间。触发器）的响应时间。ln位位并并行行型型ADC转转换换器器需需要要（2n1）个个比比较较器，成本相当昂贵。器，成本相当昂贵。并行型并行型A/DA/D转换器的应用转换器的应用l输输入入信信号号是是双双极极性性时时，只只需需将将参参考考电电压压的接地端改接为的接地端改接为负负电源端。电源端。l这这种种转转换换器器速速度度极极快快，但但结结构构复复杂杂，无无法法做做到到高高精
63、精度度，价价格格也也非非常常昂昂贵贵，如如图图像像处处理理及及模模式式识识别别等等领领域域。因因为为模模式式识识别别及及图图像像处处理理一一帧帧画画面面有有数数以以2.2万万计计的的像像素素，为为了了适适应应视视觉觉的的要要求求必必须须每每秒秒钟钟处处理理几几十十帧帧画画面面。如如果果每每秒秒钟钟处处理理30个个画画面面，则则相相当当每每秒秒钟钟要要对对6.6兆兆个个像像素素进进行行处处理理，所所以以对对A/D转转换换速速度要求极高。度要求极高。2 22 2 模拟量输出通道模拟量输出通道l模模拟拟量量输输出出通通道道的的作作用用是是将将经经智智能能化化医医学学仪仪器器处处理理后后的的数数据据转
64、转换换成成模模拟拟量量送送出出，它它是是许许多多智智能能设设备备的的重重要要组组成成部部分分。模模拟拟量量输输出出通通道道一一般般由由DA转转换换器器、多多路路模模拟拟开开关关、采采样样保保持持器器等等组组成成。本本节节侧侧重重讨讨论论DA转换器及其与微处理器的接口。转换器及其与微处理器的接口。2 22 21 1 D DA A转换器概述转换器概述一、一、D/AD/A转换原理转换原理lDA转换器是由电阻网络、开关及基转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成，目前基本都已集成于一准电源等部分组成，目前基本都已集成于一块芯片上。为了便于接口，有些块芯片上。为了便于接口，有些DA芯片芯片内还含有锁
65、存器。内还含有锁存器。DA转换器的组成原理有转换器的组成原理有多种，采用最多的是多种，采用最多的是R2R梯形网络梯形网络DA转转换器，图换器，图2-20显示了一个显示了一个4位位DA转换器的转换器的原理图。原理图。D/AD/A转换原理转换原理l一般由一般由D/A转换器转换器,多路模拟开关多路模拟开关,采样采样/保持器等组成保持器等组成.l作用是将经智能仪器处理后的数据转换作用是将经智能仪器处理后的数据转换成模拟量送出成模拟量送出.一、一、D/A转换原理（图转换原理（图2-20）由电阻网络由电阻网络,开关及基准电源等组成开关及基准电源等组成.URUo=-(23 D3+22 D2+21 D1+20
66、 D0) 24R-2RR-2R梯形网络梯形网络D/AD/A转换器原理转换器原理图图2-20 R-2R梯形网络梯形网络D/A转换器原理转换器原理 二、二、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：分辨率：当输入数字发生单位数码变化时所对当输入数字发生单位数码变化时所对应模拟量输出的变化量应模拟量输出的变化量.转换精度转换精度：在整个工作区间实际的输出电压与在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差理想输出电压之间的偏差.转换时间：转换时间：通常为几十个纳秒通常为几十个纳秒.尖峰误差尖峰误差：指输入代码发生变化时刻：指输入代码发生变化时刻,而使输出而使输出模拟量产生的尖
67、峰所造成的误差模拟量产生的尖峰所造成的误差. D/AD/A转换器尖峰误差及消峰原理转换器尖峰误差及消峰原理三、三、D DA A转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式lD/A数字量输入端可以分为：数字量输入端可以分为：1.不含数据锁存器不含数据锁存器(需外加数据锁存器需外加数据锁存器).2.含单个数据锁存器含单个数据锁存器.3.含双个数据锁存器含双个数据锁存器(用于多个用于多个D/A同时转换的场同时转换的场合合).D/A的输出电路分为的输出电路分为:1.单极性电路单极性电路图图2-222.双极性电路双极性电路 图图2-23UOUT=-（VREF/28） DUOUT=-（2U1+VREF）2
68、.2.2 D/A2.2.2 D/A转换器与微机接口转换器与微机接口8 8位位D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832及其与微机接口及其与微机接口 八位八位D/A转换器转换器DAC0832及其与微机接口及其与微机接口内部含有双输入数据锁存器的内部含有双输入数据锁存器的8位位D/A器器件（图件（图2-24）。）。1.单缓冲接口电路（图单缓冲接口电路（图2-25）程序程序:MOVDPTR,#0FEFFHMOVA,#DATAMOVXDPTR,A双缓冲接口的程序双缓冲接口的程序MOVDPTR,#0FEFFHMOVA,R2MOVXDPTR,A;数据送数据送1#0832输入寄存器输入寄存器MOV
69、DPTR,#0FDFFHMOVA,R3MOVXDPTR,A;另一数据送另一数据送2#0832输入寄存器输入寄存器MOVDPTR,#0FBFFHMOVXDPTR,A;1#、2#D/A转换器同时输出转换器同时输出二、二、1212位位D/AD/A转换器转换器DAC1208DAC1208与微机接口与微机接口双缓冲双缓冲,12位位D/A器件器件.第一级缓冲由第一级缓冲由8位输入寄存器和位输入寄存器和4位输入寄存器组成位输入寄存器组成.第二级缓冲为第二级缓冲为12位位DAC寄存器寄存器.字节控制信号：字节控制信号：=1;12位位数字量同时送入输入寄存器；数字量同时送入输入寄存器；BYTE1/BYTE2=0
70、;只将只将12位数字量中的位数字量中的低低4位位送到对应送到对应的的4位输位输入寄存器。入寄存器。其余控制类似其余控制类似DAC0832（图（图2-27）：）：图图2-27 DAC1208与与8031单片机接口示意图单片机接口示意图 DAC1208DAC1208与与80318031单片机接口单片机接口设设有有一一个个12位位的的待待转转换换的的数数据据存存放放在在地地址址DATA及及DATA1单单元元中中，其其存存放放顺顺序序为为：（DATA）存存高高8位位数数据据，（DATA1）存存低低4位位数数据据（存存放放在在该该单单元元的的低低半半字字节节上上）。则把这个数据送往则把这个数据送往DA转
71、换器的程序段为：转换器的程序段为：DAC1208DAC1208与与80318031单片机接口单片机接口 MOV DPTR， 0FDFFH ;(CS=0,BYTE1=1) MOV A， DATA MOVX DPTR，A；输出输出高高8位位数据数据 DEC DPH ;(CS=0,BYTE2=0) MOV A， DATA 1 MOVX DPTR，A；输出输出低低4位位数据数据 MOV DPTR， 7FFFH ;(XFER=0)MOVX DPTR，A；12位位数据同时送数据同时送 DAC寄存器寄存器 2.2.3 D/A2.2.3 D/A转换器应用举例转换器应用举例一一.锯齿波的产生锯齿波的产生(图图2
72、-25、28) MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00HLOOP:MOVX DPTR,A INC A MOV R0,#DATA DJNZ R0,$ SJMP LOOP图图2-28 连续锯齿波形图连续锯齿波形图 二、任意波形的产生二、任意波形的产生l可采用事先存储数据然后顺序输出的方可采用事先存储数据然后顺序输出的方法来实现。法来实现。l双极性输出双极性输出,将将360分为分为256个点个点,每每2点点间隔约为间隔约为1.4。然后计算。然后计算每个点每个点的电压所对的电压所对应的应的数字量数字量，并列成，并列成表格表格编入程序中（图编入程序中（图2-29、图、图2-30）。）。图图
73、2-29 DAC0832双极性输出形式的接口电路双极性输出形式的接口电路 图图2-30 正弦波计算制表示意图正弦波计算制表示意图 具体输出程序段如下：具体输出程序段如下：MOV R5，00H；计数器赋初值计数器赋初值SIN： MOVA，R5MOV DPTR，#TABHMOVCA，ADPTR；查表得输出值查表得输出值MOVDPTR，7FFFH；指向指向0832MOVXDPTR，A；转换转换INCR5；计数器加一计数器加一AJMP SINTAB：DB80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96HDB99H,9CH,9FH,A2H,A5H,A8H,ABH,AEHDB B1H,B4H,
74、B7H,BAH,BCH,BFH,C2H,C5HDB C7H,CAH,CCH,CFH,D1H,D4H,D6H,D8HDBDAH,DDH,DFH,E1H,E3H,E5H,E7H,E9H 2.3 2.3 医学信号数据采集系统计医学信号数据采集系统计2.3.1 2.3.1 数据采集系统组成数据采集系统组成l数据采集系统数据采集系统(图图2-31)由多路开关、采样由多路开关、采样/保持器、放大器、保持器、放大器、A/D转换器、计算机等组成。转换器、计算机等组成。l数据采集要经过采样和量化两个步骤。采数据采集要经过采样和量化两个步骤。采样过程由多路开关、采样样过程由多路开关、采样/保持器完成保持器完成(如
75、信号如信号变化很慢，也可以不用采样变化很慢，也可以不用采样/保持器保持器)。l多路开关将各路信号轮流切换到输入端。多路开关将各路信号轮流切换到输入端。lA/D转换器将采样信号量化，将转换成的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。数字量输入到计算机中。l放大器、滤波器可根据被测信号的大小、放大器、滤波器可根据被测信号的大小、频谱分布及干扰的强弱选用。频谱分布及干扰的强弱选用。图图2-31 多通道数据采集系统原理框图多通道数据采集系统原理框图 模拟多路开关及接口模拟多路开关及接口l多路开关多路开关:把模拟信号分时地送入把模拟信号分时地送入A/D转换器转换器,完成多到一的转换。完成多
76、到一的转换。l多路分配器多路分配器:将经计算机处理的数据由将经计算机处理的数据由D/A转转换成模拟信号换成模拟信号,按一定的顺序输出到不同的控按一定的顺序输出到不同的控制回路中去制回路中去,完成一到多的转换。完成一到多的转换。lCD4051(双向双向8路路),图图2-32,真值表真值表2-5；l电平转换电平转换实现实现CMOS到到TTL逻辑电平的转换；逻辑电平的转换；l数字量数字量:320V,模拟量模拟量:峰值达峰值达20V；l改变改变IN/OUT及及OUT/IN的传递方向的传递方向,可用作多可用作多路开关和多路分配器。路开关和多路分配器。图图2-32 CD4051内部结构图内部结构图 表表2
77、-5 CD4051真值表真值表 n扩展扩展16路多路开关见图路多路开关见图 2-33:图图2-33 CD4051多路开关组成的多路开关组成的16路模拟开关原理图路模拟开关原理图 采样采样/ /保持器保持器l在在A/D转换过程中转换过程中,需要在稳定时间需要在稳定时间 内模内模拟信号应保持在采样时的函数值不变拟信号应保持在采样时的函数值不变.因此需因此需加入加入S/H电路电路.若输入模拟量是直流或频率很低若输入模拟量是直流或频率很低可省去。可省去。l采样采样/保持器有两种工作方式，即保持器有两种工作方式，即采样方采样方式和保持方式。式和保持方式。l在在采样方式采样方式下，下，S/H的输出必须跟踪
78、模拟的输出必须跟踪模拟输入电压；输入电压；l在在保持方式保持方式下，下，S/H的输出将保持采样命的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤消令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤消为止。为止。典型芯片为典型芯片为LF398。图图 2-34 采样采样/保持器电路保持器电路 图图2-342-34是采样是采样/ /保持器的电原理图。图中保持器的电原理图。图中A A1 1为高输为高输入阻抗的场效应管组成的放大器，入阻抗的场效应管组成的放大器，A A2 2为输出缓冲器，为输出缓冲器，开关开关K K是工作方式控制开关。是工作方式控制开关。 当开关闭合时，输入信号当开关闭合时，输入信号V Vi
79、nin经放大器经放大器A A1 1向电容充向电容充电，此时为采样工作方式；电，此时为采样工作方式； 当开关当开关K K断开时为保持方式，由于运算放大器的输断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，电容器保持充电的最终值入阻抗很高，电容器保持充电的最终值。 采样采样/ /保持器的质量技术指标保持器的质量技术指标l1捕获时间捕获时间tACl捕获时间是从采样开始到采样捕获时间是从采样开始到采样/保持器的输保持器的输出电压达到精度指标（与被测电压的误差在出电压达到精度指标（与被测电压的误差在0.1%0.01%范围之内）所需的时间范围之内）所需的时间l2孔径时间孔径时间tAPl从发出保持命令到保持
80、开关真正断开所需从发出保持命令到保持开关真正断开所需要的时间，要的时间，采样采样/ /保持器的质量技术指标保持器的质量技术指标l3保持建立时间保持建立时间tSl采样采样/保持器进入保持状态后，需要经过保持器进入保持状态后，需要经过保持建立时间保持建立时间tS，输出才能达到稳定。输出才能达到稳定。l4孔径抖动孔径抖动tAJl孔径抖动亦称孔径不确定度，表示孔径抖动亦称孔径不确定度，表示tAP的的变化范围。变化范围。l5衰减率衰减率l在保持状态下，由于保持电容的漏电流在保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散漏电流，引起保持电压下降。和其他杂散漏电流，引起保持电压下降。LF198/298/398L
81、F198/298/398的原理的原理lLF198/298/398(图图2-35)是场效应管构成的采是场效应管构成的采样保持电路，它具有采样速度快，保持电压下样保持电路，它具有采样速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。当保持电容为降速度慢以及精度高等特点。当保持电容为1 F时，其下降速度为时，其下降速度为5mV/min，电压精度可电压精度可达达0.01%。l图中，当逻辑控制端图中，当逻辑控制端IN（+）为）为1时为时为采样采样状态，状态，此时此时S闭合，输出跟随输入变化；闭合，输出跟随输入变化；当当IN（+）为）为0时，呈时，呈保持状态保持状态，此时，此时S打开，输出打开，输出保持不变。保
82、持不变。图图2-35 LF198/298/398的原理的原理 2.3.2 2.3.2 单片机数据采集系统举例单片机数据采集系统举例l图图2-36是一个是一个16路的数据采集系统路的数据采集系统，由单，由单片机片机8031、16路模拟开关路模拟开关AD7506、采样保持采样保持器器LF398、模数转换器模数转换器AD574等组成。等组成。l单片机单片机8031控制管理整个数据采集系统。控制管理整个数据采集系统。l由模拟开关由模拟开关AD7506可将可将16路输入信号路输入信号(010V)，分时地接入到系统中。分时地接入到系统中。lLF398对输入信号进行采样，将采保的信对输入信号进行采样，将采保
83、的信号送入模数转换器号送入模数转换器AD574中。中。lAD574是是12位逐次逼近式模数转换器位逐次逼近式模数转换器，转，转换速度为换速度为25 sAD574的管脚的管脚2（12/8）接）接+5V，接成接成12位转换形式，单极性输入。位转换形式，单极性输入。数据采集系统的工作过程数据采集系统的工作过程l8031单单片片机机通通过过P1口口，控控制制模模拟拟开开关关AD7506的的输输入入通通道道的的选选通通端端A0、A1、A2、A3，可可以以按按顺顺序序选选通通16个个输输入入通通道道，也也可可以以根据需要有选择地接通输入信号。根据需要有选择地接通输入信号。l单单片片机机同同时时给给采采样样
84、保保持持器器LF398控控制制端端8脚脚发发高高电电平平，使使之之进进入入采采样样状状态态。待待LF398捕捕获获到到输输入入信信号号后后，单单片片机机给给LF398的的8脚脚发发低低电电平平保保持持命命令令,同同时时启启动动AD574进进行行A/D转转换换，即即8031通通过过P0口口经经74LS373锁锁存存器器使使AD574的的A0=0，R/C=0。单单片片机机就就进进入入等等待待状态。状态。n当当AD转转换换结结束束时时，AD574的的STS=0，8031通通过过P3.3（INT1）查查询询到到转转换换结结束束后后，开开始始读读取取数数据据，先先读读高高8位位数数据据，再再读读低低4位
85、位数数据据，分分两两个个字字节节送送到到8031单单片片机机内内部部RAM中。中。n利利用用MCS-51汇汇编编语语言言编编制制的的数数据据采采集集系统的程序见系统的程序见P.48。数据采集系统的工作过程数据采集系统的工作过程2.3.3 2.3.3 基于基于PCPC机的数据采集系统机的数据采集系统l 基于基于PC机的数据采集系统具有采集信息机的数据采集系统具有采集信息量大；人机界面美观；数据处理简便；软件量大；人机界面美观；数据处理简便；软件设计简单等优点。设计简单等优点。l利用利用PC机对医学信号的采集可以实现：机对医学信号的采集可以实现：信号的实时采集；波形或参数的实时显示；信号的实时采集
86、；波形或参数的实时显示；数据的实时处理等功能。数据的实时处理等功能。lPC机及数据采集卡的价格越来越低，基机及数据采集卡的价格越来越低，基于于PC机的数据采集系统日益广泛使用。机的数据采集系统日益广泛使用。l介绍介绍PC-6330D模入接口卡的使用方法。模入接口卡的使用方法。一硬件结构一硬件结构PC-6330D模模入入接接口口卡卡适适用用于于具具有有ISA总总线线的的PC系系列列微微机机，兼兼容容性性好好,CPU从从64位位直直到到早早期期的的16位位处处理理器器均均 可可 适适 用用 ， 操操 作作 系系 统统 可可 选选 用用 MS-DOS、 流流 行行 的的Windows系系列列及及高高
87、稳稳定定性性的的Unix等等和和专专业业数数据据采采集集分分析系统析系统LabVIEW等软件。等软件。硬硬件件安安装装上上特特别别适适用用于于对对接接口口卡卡尺尺寸寸有有严严格格要要求求的的便便携携机机。使使用用时时只只需需将将接接口口卡卡插插入入机机内内任任何何一一个个ISA总线插槽中，信号电缆从机箱外部直接接入。总线插槽中，信号电缆从机箱外部直接接入。PC-6330D模模入入接接口口卡卡的的模模拟拟信信号号由由卡卡前前端端的的25芯芯D型型插插头头输输入入。允允许许采采用用16路路单单端端输输入入方方式式。用用户户可可根根据据需需要要选选择择测测量量单单极极性性信信号号或或双双极极性性信信
88、号号。为为方方便便用用户户外外接接放放大大器器的的需需要要，该该卡卡由由插插头头可可外外供供+5v和和+12v电电源。源。PC-6330D模入接口卡模入接口卡1 1主要技术参数主要技术参数输入通道数：输入通道数：单端单端16路路输输入入信信号号范范围围：0v-10v*;-5v-+5v(标标*为为出出厂厂标标准状态，下同准状态，下同)放大器增益：放大器增益：*1倍倍输入阻抗：输入阻抗：10MA/D转换分辨率：转换分辨率：12位位A/D转换速度：转换速度：10SA/D启动方式：启动方式：程序启动程序启动A/D转换方式：转换方式：查询或中断方式查询或中断方式中断中断IRQ3、IRQ4、IRQ5、IR
89、Q6、IRQ7可选可选A/D转换非线性误差：转换非线性误差：1LSB主要技术参数主要技术参数A/D转换输出码制：转换输出码制：单极性原码单极性原码*/双极性偏移码双极性偏移码系统综合误差：系统综合误差：0.2%F.S电源功耗：电源功耗：+5v(10%)500mA-5v(5%)10mA+12v(10%)50mA-12v(10%)30mA使用环境要求：使用环境要求：工作温度：工作温度：10C-40C相对湿度：相对湿度：40%-80%存储温度：存储温度：-55C-+85C2 2工作原理工作原理lPC6330D模入接口卡由模拟多路开关、差分放大器、模入接口卡由模拟多路开关、差分放大器、模数转换及接口控
90、制逻辑电路组成。工作原理见下图。模数转换及接口控制逻辑电路组成。工作原理见下图。工作原理工作原理模拟多路开关电路：模拟多路开关电路：模模拟拟多多路路开开关关由由2片片CD4051组组成成，可可以以从从16路路单单端端信信号号中中任任选选一一路路，送送入入差差分分放放大大器处理。器处理。差分放大器电路：差分放大器电路：差差分分放放大大器器电电路路由由LF351运运算算放放大大器器以以及及相相关关的的电电阻阻、电电位位器器组组成成，电电位位器器W1用用于于零点调整。零点调整。工作原理工作原理模数转换电路：模数转换电路：12位位逐逐次次逼逼近近式式A/D转转换换器器ADS774,自自带带精精密密基基
91、准准源源，并并经经激激光光修修调调，有有较较高高的的转转换换速速率率和和转转换换精精度度。转转换换时时间间仅仅为为10S。程程序序启启动动A/D转转换换器器，在在初初始始地地址址+1的的端端口口地地址址上上任任写写一一数数。转转换换状状态态由由程程序序查查询询读读出出或或用用中中断断方方式式通通知知CPU。A/D转转换换后后的的输输出出代代码码形形式式由由跨跨接接器器KJ3选选择择，可可分分别别输输出出二二进进制制原原码码或或双双极极性性偏偏移移二二进进制制码码。电电位位器器W2用用于于满满量量程程增增益益调调节节，W3用用于于双极性偏移调节。双极性偏移调节。接口控制逻辑电路：接口控制逻辑电路
92、：产生操作有关的控制信号。产生操作有关的控制信号。3 3 使用与操作：使用与操作：（1 1）输入插座接口定义：）输入插座接口定义：PC-6330D卡采用卡采用25芯芯D型插座的信号定义见下表：型插座的信号定义见下表：表表2-6 输入信号端口定义输入信号端口定义（2 2）I/OI/O基地址选择基地址选择I/O基基地地址址选选择择范范围围一一般般为为100H3F8H之之间间。用用户户应应根根据据主主机机是是否否插插入入其其它它功功能能卡卡来来决决定定本本卡卡的的I/O基基地地址址。如如由由需需要要可可定定为为从从300H开始，连续占用开始，连续占用4个地址，即个地址，即300H、301H、302H
93、、303H。（3 3）控制端口与数据格式）控制端口与数据格式l各控制端口的地址与功能见下表：各控制端口的地址与功能见下表：表表2-7 端口地址与功能表端口地址与功能表查询查询A/DA/D转换状态数据格式转换状态数据格式表表2-8 查询查询A/D转换状态数据格式转换状态数据格式A/DA/D转换结果数据格式转换结果数据格式表表2-9 A/D转换结果数据格式转换结果数据格式（）（）A/DA/D转换数码与模拟量的关系转换数码与模拟量的关系以以12位位A/D为例，输入单极性信号为例，输入单极性信号010V。转换后得到转换后得到04095的数字量，数字的数字量，数字量量0对应的模拟量为对应的模拟量为0V，
94、数字量数字量4095对应的对应的模拟量为模拟量为10V，则，则A/D转换数码每转换数码每1LSB对应对应于模拟量于模拟量2.44mV，即，即1LSB=10V/4096。 一软件设计一软件设计板板卡卡开开发发商商专专为为PC-6330D工工控控采采集集卡卡配配制制了了工工作作在在Windows95/98/NT环环境境下下的的一一组组驱驱动动程程序序以以及及使使用用该该驱驱动动程程序序组组建建的的一一个个演演示示程程序序，可可以以方方便便地地使使用用户户在在Windows环环境境下下检检测测硬硬件件的的工工作作状状态态以以及及帮帮助助软软件件开开发发人人员员在在常常用用的的CC+，Visual B
95、asic，Delphi，BorlandC+，C+Builder，VC+等等开开发发环环境境中中使使用用该该采采集集卡卡进进行行数数据据采采集集和和过过程程控控制制等等工工作作。驱驱动动程程序序是是一一个个标标准准动动态态链链接接库库（DLL文文件件）。它它的的输输出出函函数数可可以被其它应用程序在运行时直接调用。以被其它应用程序在运行时直接调用。用用户户也也可可自自己己编编写写数数据据采采集集程程序序，来来完完成成对对模模拟拟量的采集。下例为用量的采集。下例为用C语言编写的程序。语言编写的程序。例例1对通道对通道1连续采样连续采样100次，程序启动和查询。次，程序启动和查询。#include“
96、stdio.h”#include“dos.h”#include“conio.h”main()intch;/*定义通道变量定义通道变量*/floatvalue100;/*定义数组变量定义数组变量*/intdl,dh,I,j,base;/*定义过程变量定义过程变量*/clrscr();/*清屏清屏*/base=0x300;/*设板基地址设板基地址=300H*/printf(“Inputchannlenumber:”);/*输入通道号输入通道号*/scanf(“%d”,&ch);outputb(base,ch);/*送通道代码送通道代码*/for(j=0;j100;j+)/*设采样次数设采样次数*/for(i=0;i=128);dh=inputb(base+2);/*转转换换结结束束，读读高高四四位位结结果果*/dl=inputb(base+3);/*读低八位结果读低八位结果*/valuej=(dh*256+dl)*10.0/4096.0;/*将将结结果果转转换换为为十十进进制制数数数据数据*/for(j=0;j100;j+)/*显示结果显示结果*/printf(“%f”,valuej);
