醫(yī)學信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

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1、數(shù)字化醫(yī)療儀器第二章醫(yī)學信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是醫(yī)學信號數(shù)字化的基礎人體的各種物理量，如生物電位、心音、體溫、血壓、血流、肌電、腦電、神經(jīng)傳導速度等，采用各種傳感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測及預處理電路，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

2、/A轉(zhuǎn)換器及相應接口稱為模擬量輸出通道。2.1模擬量輸入通道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，這個模擬量泛指電壓、電流、時間等參量,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、量化和編碼三個步驟。1．采樣待采樣的模擬信號是連續(xù)的，可看成無限多個瞬時值組成，而A/D轉(zhuǎn)換以及計算機處理需要一定的時間，不可能把每一個瞬時值都轉(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)律取出某一些瞬時值來代表這個模擬量，這個過程就是采樣。采樣是通過采樣保持電路實現(xiàn)

3、的，采樣器（電子模擬開關）在控制脈沖s(t)的控制下，周期性地把隨時間連續(xù)變化的模擬信號f(t)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間上的離散的模擬信號fs(t)。僅在采樣瞬間τ允許輸入信號f(t)通過采樣器，其它時間斷開。采樣器的輸出fS(t)是一串窄脈沖，脈沖的包絡線是與輸入信號相同的。圖2-2采樣器輸入輸出波形輸出信號能否如實反映原始輸入信號？采樣得的信號fs(t)的值和原始輸入信號f(t)在相應的瞬時值相同，因此采樣后的信號在量值上仍然是連續(xù)的。可以證明：當采樣器的采樣頻率fs高于或至少等于輸入信號最高頻率fm的兩倍時（即fs≥2fm

4、時），采樣輸出信號fs(t)（采樣器脈沖序列）能代表或恢復成輸入模擬信號f(t)，這就是采樣定理。如何知道輸入信號f(t)的頻率，特別是它的最高頻率fm？信號“最高頻率”指的是輸入信號經(jīng)頻譜分析后得到的最高頻率分量?！盎謴汀敝傅氖菢悠沸蛄衒S(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f(t)。在應用中，一般取采樣頻率fs為最高頻率fm的4～8倍。簡單模擬信號的頻譜范圍是已知的，如溫度低于1Hz，聲音為20Hz～20000Hz。復雜信號要用傅立葉變換算出，或用頻譜分析儀測得，也可用試驗的方法選取最合

5、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。量化相當于只取近似整數(shù)商的除法運算。量化單位用q表示，對于模擬量小于一個q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常為了減少誤差采用“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時的特性，實線表示實際特性。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（圖2-3(c)）,最大為±q/2，平均誤差為0。最大誤差

6、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)換的具體應用，若考慮為雙極性信號，可采用補碼方式。二．A/D轉(zhuǎn)換器的技術指標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的能力。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習慣上以輸出二進制數(shù)的位數(shù)來表示。如ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，表示可以用28個二進制數(shù)對輸入模擬量進行量化，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)換精度反映實際A/D轉(zhuǎn)換器與理想A/D轉(zhuǎn)換

7、器量化值上的差。用絕對或相對誤差來表示（1）絕對精度指的是在A/D輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼，實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）相對精度指的是A/D滿度值校準以后，任一數(shù)字輸出所對應的實際模擬輸入值（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)。這個指標也可以表述為轉(zhuǎn)換時間，即A/D轉(zhuǎn)換從啟動到結(jié)束所需的時間，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)換時間是200?s。4.滿刻度范圍滿刻度范圍:指A/D所允許

8、輸入電壓范圍。如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。滿刻度只是個名義值，實際的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)）。這是因為0值也是2n個轉(zhuǎn)換器狀態(tài)中的一個。例如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其滿刻度值為10V，而實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