1、Dept. of Physiology & PathophysiologyShanghai Medical CollegeFudan University 醫學信號處理的原理和方法醫學信號處理的原理和方法 第n位 第n-1位 第3位 第2位 第1位十進制權 10n-1 10n-2 102 101 100二進制權 2n-1 2n-2 22 21 20例如：十進制數 7256 = 7*103 +2*102 +5*101 +6*100二進制數 1011 = 1*23 +0*22 +1*21 +1*20 = 11 (十進制數)5-1-1 概述概述 能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器，簡

2、稱A/D轉換器或ADC；能將數字量轉換為模擬量的電路稱為數模轉換器，簡稱D/A轉換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。5-1-2 D/A轉換器轉換器將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A轉換器的轉換特性，是指其輸出模擬量和輸入數字量之間的轉換關系。圖示是輸入為3位二進制數時的D/A轉換器的

3、轉換特性。理想的D/A轉換器的轉換特性，應是輸出模擬量與輸入數字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出模擬電流io=KiD。其中Ku或Ki為電壓或電流轉換比例系數，D為輸入二進制數所代表的十進制數。如果輸入為n位二進制數dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu（1）分辨率 分辨率用輸入二進制數的有效位數表示。在分辨率為n位的D/A轉換器中，輸出電壓能區分2n個不同的輸入二進制代碼狀態，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。（2）轉換精度 D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態轉換誤差。（3）輸出建立時

4、間 從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流到達穩定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF設RF=R/2RRR2R2R2R2R2RRFI

5、1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA從參考電壓端輸入的電流為：RVIREFREF分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網絡等效電阻都是R。不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數字信號是1還是0，各支路的電流不變。RVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF+VREF(+5V

6、)VEE(-5V)1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDVEEIoD7D6D5D4COPVREF(-)VREF(+)VCCD0D1D2D35 13 1467 1589 21011 412 3 16DAC0808VCC(+5V)2.4k2.4k0.1FIoRLD0D1D2D3D4D5D6D7(a) 引腳排列圖(b) D/A 轉換電路5-1-3 A/D轉換器轉換器模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經數字化編碼電路轉換成一組n位的

7、二進制數輸出dn-1d1d0數字量輸出(n位)ADC的數字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。這一階段uo跟隨ui變化，即uokui。t1時刻采樣階段結束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變，在t1 與下一個t0 (t0)之間，完成數據轉換。（1）分辨率 A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示，位數越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出

8、8位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出12位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。（2）相對精度 在理想情況下，所有的轉換點應當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差。（3）轉換速度 轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩定的數字輸出信號所經過的這段時間。啟動轉換后，計數器清零，然后計數器開始計數，其數值經D/A轉換器轉換為模擬量，輸入信號與D/A轉換器輸出的模擬量由比較器作比較，當兩者相等時，控制電路停止計數器計數，此時，計數器的計數值便是輸入信號的轉換值。輸出數字量輸入模擬電壓uo

9、ui順序脈沖發生器逐次逼近寄存器D/A轉換器電壓比較器 轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為1000。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若uiuo，說明數字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態就是所要求的數字量輸出。邏輯控制門定時器n 位二進制計數器&輸入模擬電壓基準電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 Gn 位二進制數字輸

10、出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數器測出此時間間隔，則計數器所計的數字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。集成集成A/D轉換器轉換器Uin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UREF/2D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGND INTR1k1k1k1k1k1k1k1k+5V+5V(1)(2)(10)(6)(7)(8)(9)(19)(4)

11、(18)(17)(16)(15)(14)(13)(12)(11)(5)(20)(3)LED輸入模擬電壓ui05V調節時鐘頻率R10kC150pF空腳 理論證明，如果一個信號的最高頻率分量為Fm，那么當采樣頻率2Fm時，原始信號可以通過下面的內插公式加以恢復：式中mT。已知：ADC為12位，轉換電壓5V，放大器增益為1000倍，直流偏置2.5V，求采樣值3080所對應的信號幅度。解：因2.5V對應的數值為2048，故：Vo = VFS * d / DFS / G= 5000 * (3080-2048) / 4096 / 1000= 1.26 (mV)已知：血壓定標信號：0mmHg時，采樣值為325， 100mmHg時，采樣值為1982，求采樣值為24