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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），变成适合
2、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转换器概述转换器概述l一
3、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转换换成成数
4、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)通通过过采采样样器器，其
5、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，脉脉冲冲的的包包络线是与输入信号相同的。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频频率率f fm
6、 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 m的的理理想想低通滤
7、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化，就是以一定的量化单位
8、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，实线表示实际特性。实线表示实际特
9、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转转换换器器的的分分辨辨率率:转
10、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 =39.06mV=39.06mV。2
11、.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模模拟拟输输入入值值（中中间间值值）与
12、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电压压范范围围。如如（0 05 5）V V，（，
13、（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=9.9976V=9.9976V。A/DA/D转换器的种类转换器的种
14、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
15、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
16、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
17、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/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
18、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。转换器类型。ADC0809ADC0809芯片及其接口芯片及其接口lADC0
19、809ADC0809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。ADC0809 ADC0809原理结构图原理结构图图图2-5ADC0809原理结构
20、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 B A接通信号接通信号1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 0
21、0 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2-1ADC0809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
22、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
23、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 ADC0809 ADC0809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08
24、090809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2-6ADC0809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。统的总线上。l ADC0809ADC0809的的时时钟钟信信号号（CLOCKCLOCK）由由8031803
25、1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。
26、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；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
27、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。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
28、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INI
29、N0 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lMOVDPTR,#0FEFFHlMOVA,#00H;赋通道赋通道0地址地址lMOVXDPTR,A;启动启动IN0转换转换lMOVR2,#20HlDLY:DJNZR2,DLY;延时延时,等待等待EOC变低变低lWAIT:JBP3.3,WAIT;查询查询,等待等待EOC变高变高lMOVXA,DPTRlMOV30H,A;结果存结果存30Hb.b.延时等待方式延时等待方式l
30、MOVDPTR,#0FEFFHlMOVA,#00H;赋通道赋通道0地址地址lMOVXDPTR,A;启动启动IN0转换转换lMOVR2,#40HlWAIT:DJNZR2,DLY;延时约延时约120uSlMOVXA,DPTRlMOV30H,A;结果存结果存30Hc.c.中断方式中断方式l主程序：主程序：lMAIN: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lSETB EA；打开中断；打开中断lMOV DPTR,#0FEFFHlMOV A,#00HlMOVXDPTR,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
31、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
32、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，接成双极性方式时，输入电压范围为-5V5V,-10V10V5V5V,-10V10V。图图2-8AD574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
33、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
34、，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。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
35、入端。表表2-2 AD5742-2 AD574的操作的操作表表2-2AD574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2-9AD57
36、4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式，空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时在启动转换后，延时25 s以上时间，再读入以上时间，再读入A/D转换结果；转换结果；l(2)如如STS接单片机一条端口线，单片机就可以接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待用查询的方法等待STS为低后再读入为低后再读入A/D转换转换结果；结果；l(3)如如STS接单片机外部中断线，就可以
37、在引起接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入单片机中断后，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，$MOVR1，#7FH；读低；读低4位位MOVX A，R1MOVR2，A；存低；存低4位位MOVR1，#3FH；读高；读高8位位MOVX A，R1MOVR3，A；存高；存高8位位SJMP$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输入电输入电压范围为压范围为0
38、V10V，1LSB对应的模拟电对应的模拟电压为压为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000000000000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11111111
39、1111。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2-10AD574
40、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M
41、AX1241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lMA
42、X1241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三线串行接口。程受控于三线串行接口。表表2-3MAX1241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73K7
43、3K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
44、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
45、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 2MAX1241 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
46、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，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，
47、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：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
48、，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MOVDATA_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
49、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
50、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