医学信号处理的原理和方法

1、Dept. of Physiology & PathophysiologyShanghai Medical CollegeFudan University 医学信号处理的原理和方法医学信号处理的原理和方法 第n位 第n-1位 第3位 第2位 第1位十进制权 10n-1 10n-2 102 101 100二进制权 2n-1 2n-2 22 21 20例如：十进制数 7256 = 7*103 +2*102 +5*101 +6*100二进制数 1011 = 1*23 +0*22 +1*21 +1*20 = 11 (十进制数)5-1-1 概述概述 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简

2、称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。5-1-2 D/A转换器转换器将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的

3、转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出模拟电流io=KiD。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：)2222(00112211oddddKunnnnu（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。（2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时

4、间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF设RF=R/2RRR2R2R2R2R2RRFI

5、1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA从参考电压端输入的电流为：RVIREFREF分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。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) 引脚排列图(b) D/A 转换电路5-1-3 A/D转换器转换器模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的

7、二进制数输出dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。这一阶段uo跟随ui变化，即uokui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变，在t1 与下一个t0 (t0)之间，完成数据转换。（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出

8、8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。启动转换后，计数器清零，然后计数器开始计数，其数值经D/A转换器转换为模拟量，输入信号与D/A转换器输出的模拟量由比较器作比较，当两者相等时，控制电路停止计数器计数，此时，计数器的计数值便是输入信号的转换值。输出数字量输入模拟电压uo

9、ui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器 转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逻辑控制门定时器n 位二进制计数器&输入模拟电压基准电压积分器比较器时钟输入控制门 Gn 位二进制数字输

10、出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。集成集成A/D转换器转换器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输入模拟电压ui05V调节时钟频率R10kC150pF空脚 理论证明，如果一个信号的最高频率分量为Fm，那么当采样频率2Fm时，原始信号可以通过下面的内插公式加以恢复：式中mT。已知：ADC为12位，转换电压5V，放大器增益为1000倍，直流偏置2.5V，求采样值3080所对应的信号幅度。解：因2.5V对应的数值为2048，故：Vo = VFS * d / DFS / G= 5000 * (3080-2048) / 4096 / 1000= 1.26 (mV)已知：血压定标信号：0mmHg时，采样值为325， 100mmHg时，采样值为1982，求采样值为24