醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)頁

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1、數(shù)字化醫(yī)療儀器第二章醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)字化的基礎(chǔ)人體的各種物理量，如生物電位、心音、體溫、血壓、血流、肌電、腦電、神經(jīng)傳導(dǎo)速度等，采用各種傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)及預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），變成適合于微處理機(jī)使用的數(shù)字量供系統(tǒng)處理。同樣，微處理器處理后的數(shù)據(jù)往往又需要使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）及適應(yīng)的接口將其變換成模擬量送出，如圖2-1所示。模擬量輸入/輸出通道示意A/D轉(zhuǎn)換器及其接口統(tǒng)稱為模擬量輸入通道；D/A轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)接口稱為模擬量輸出通道。2.1模擬量輸入

2、通道2.1.1A/D轉(zhuǎn)換器概述一．概述A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電流、時(shí)間等參量,但通常情況下，模擬量是指電壓參量。在A/D轉(zhuǎn)換的過程中通常要完成采樣、量化和編碼三個(gè)步驟。1．采樣待采樣的模擬信號(hào)是連續(xù)的，可看成無限多個(gè)瞬時(shí)值組成，而A/D轉(zhuǎn)換以及計(jì)算機(jī)處理需要一定的時(shí)間，不可能把每一個(gè)瞬時(shí)值都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。必須在連續(xù)變化的模擬量上按周期取樣的規(guī)律取出某一些瞬時(shí)值來代表這個(gè)模擬量，這個(gè)過程就是采樣。采樣是通過采樣保持電路實(shí)現(xiàn)的，采樣器（電子模擬開關(guān)）在控制脈沖s(t)的控制下，周期性地把隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)f(t)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間上的離

3、散的模擬信號(hào)fs(t)。僅在采樣瞬間τ允許輸入信號(hào)f(t)通過采樣器，其它時(shí)間斷開。采樣器的輸出fS(t)是一串窄脈沖，脈沖的包絡(luò)線是與輸入信號(hào)相同的。圖2-2采樣器輸入輸出波形輸出信號(hào)能否如實(shí)反映原始輸入信號(hào)？采樣得的信號(hào)fs(t)的值和原始輸入信號(hào)f(t)在相應(yīng)的瞬時(shí)值相同，因此采樣后的信號(hào)在量值上仍然是連續(xù)的?？梢宰C明：當(dāng)采樣器的采樣頻率fs高于或至少等于輸入信號(hào)最高頻率fm的兩倍時(shí)（即fs≥2fm時(shí)），采樣輸出信號(hào)fs(t)（采樣器脈沖序列）能代表或恢復(fù)成輸入模擬信號(hào)f(t)，這就是采樣定理。如何知道輸入信號(hào)f(t)的頻率，特別是它的最高頻率fm？信號(hào)“最高頻率

4、”指的是輸入信號(hào)經(jīng)頻譜分析后得到的最高頻率分量?！盎謴?fù)”指的是樣品序列fS(t)通過截止頻率為fm的理想低通濾波器后，能得到的原始信號(hào)f(t)。在應(yīng)用中，一般取采樣頻率fs為最高頻率fm的4～8倍。簡(jiǎn)單模擬信號(hào)的頻譜范圍是已知的，如溫度低于1Hz，聲音為20Hz～20000Hz。復(fù)雜信號(hào)要用傅立葉變換算出，或用頻譜分析儀測(cè)得，也可用試驗(yàn)的方法選取最合適的fs。2.量化所謂量化，就是以一定的量化單位把數(shù)值上連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值上離散的階躍量的過程。量化相當(dāng)于只取近似整數(shù)商的除法運(yùn)算。量化單位用q表示，對(duì)于模擬量小于一個(gè)q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常為了減少誤

5、差采用“四舍五入”的方法使之整量化。這種量化方法的輸入輸出特性如圖2-3所示，圖中虛線表示量化單位為0時(shí)的特性，實(shí)線表示實(shí)際特性。圖2-3量化特性和量化誤差量化過程舍入誤差為量化誤差。以ε=x(t)-y(t)表示量化誤差，量化誤差有正有負(fù)（圖2-3(c)）,最大為±q/2，平均誤差為0。最大誤差隨量化單位而改變，q愈小ε也愈小。3．編碼編碼往往涉及到A/D轉(zhuǎn)換的具體應(yīng)用，若考慮為雙極性信號(hào)，可采用補(bǔ)碼方式。二．A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1．分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率:轉(zhuǎn)換器能分辨最小的量化信號(hào)的能力。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示。如ADC

6、0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，表示可以用28個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)輸入模擬量進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB（最低有效位值），若最大允許輸入電壓為10V，則1LSB==10V/28=39.06mV。2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與理想A/D轉(zhuǎn)換器量化值上的差。用絕對(duì)或相對(duì)誤差來表示（1）絕對(duì)精度指的是在A/D輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼，實(shí)際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差（中間模擬值）。（2）相對(duì)精度指的是A/D滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。3．轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率:指A/D轉(zhuǎn)換器在每秒鐘內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。這個(gè)

7、指標(biāo)也可以表述為轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換從啟動(dòng)到結(jié)束所需的時(shí)間，兩者互為倒數(shù)。例如，某A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為5KHz，則其轉(zhuǎn)換時(shí)間是200?s。4.滿刻度范圍滿刻度范圍:指A/D所允許輸入電壓范圍。如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。滿刻度只是個(gè)名義值，實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入值總比滿刻度小1/2n（n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)）。這是因?yàn)?值也是2n個(gè)轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的一個(gè)。例如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿刻度值為10V，而實(shí)際允許的最大輸入電壓值為:10V*212-1/212=9.9976V。A/D轉(zhuǎn)換器的種類常用的有逐次逼近式、積