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醫(yī)療儀器分類與管理1.醫(yī)療儀器的分類與發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.1.1醫(yī)療器械的定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的定義(一)為下列目的的用于人體的,不論是單獨(dú)使用還是組合使用的,包括使用所需軟件在內(nèi)的任何儀器、設(shè)備、器具、材料、或者其他物品,這些目的是:(1)
疾病的診斷預(yù)防監(jiān)護(hù)治療或緩解;(2)
損傷或殘疾的診斷監(jiān)護(hù)治療緩解或者補(bǔ)償;(3)
解剖或生理學(xué)過(guò)程的研究替代或者調(diào)節(jié);(4)
妊娠控制。(二)其對(duì)于人體體表及體內(nèi)的主要預(yù)防作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或代謝的手段獲得,但可能有這些手段參與并起一定輔助作用。
此定義闡明了醫(yī)療器械的使用對(duì)象、使用方法、功能產(chǎn)品形態(tài),和具有相同功能和用途的另一產(chǎn)品群——藥品作了區(qū)別界定。此定義目前已被各國(guó)廣泛地等同使用在醫(yī)療器械法規(guī)中,可把此定義理解為法規(guī)調(diào)整意義上的醫(yī)療器械定義域。中國(guó)現(xiàn)行的醫(yī)療器械行政規(guī)章及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均等同采用了此定義。ISO關(guān)于醫(yī)療器械定義的意義:我國(guó)醫(yī)療器械監(jiān)管條例(2000)的定義
單獨(dú)或者組合使用于人體的儀器、設(shè)備、器具、材料、或者其他物品,包括所需要的軟件,其用于人體體表及體內(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或者代謝的手段獲得,但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用,其使用旨在達(dá)到下列預(yù)期目的:(1)對(duì)疾病的預(yù)防診斷治療監(jiān)護(hù)緩解;(2)對(duì)損傷或者殘疾的診斷治療監(jiān)護(hù)緩解補(bǔ)償;(3)對(duì)解剖或者生理過(guò)程的研究替代調(diào)節(jié);(4)妊娠控制。
醫(yī)療器械產(chǎn)品分類方法(1)醫(yī)療器械分類規(guī)則指導(dǎo)下的醫(yī)療器械分類目錄;(2)根據(jù)臨床應(yīng)用范圍所做的分類;(3)根據(jù)產(chǎn)品價(jià)值等級(jí)所做的分類;(4)根據(jù)產(chǎn)地分為境內(nèi)產(chǎn)品和境外產(chǎn)品等。目前使用最為廣泛的是根據(jù)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局發(fā)布的醫(yī)療器械分類目錄
《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》分類管理:第一類是指通過(guò)常規(guī)管理足以保證其安全性有效性的醫(yī)療器械;第二類是指對(duì)其安全性有效性應(yīng)當(dāng)加以控制的醫(yī)療器械;第三類是指植入人體用于支持維持生命,對(duì)人體具有潛在危險(xiǎn),對(duì)其安全性、有效性必須嚴(yán)格控制的醫(yī)療器械。醫(yī)療器械的產(chǎn)品分類及編碼
我國(guó)實(shí)行的醫(yī)療器械分類方法是分類規(guī)則指導(dǎo)下的目錄分類制。分類規(guī)則和分類目錄并存。醫(yī)療器械分類規(guī)則用于指導(dǎo)醫(yī)療器械分類目錄的制定和確定新的產(chǎn)品注冊(cè)類別。
2002年8月28日,國(guó)家藥品監(jiān)督管理局組織制定了醫(yī)療器械分類目錄國(guó)藥監(jiān)械[2002]302號(hào),共有49個(gè)一級(jí)類別和大于263個(gè)二級(jí)類別的產(chǎn)品種類。
編碼名稱:6801基礎(chǔ)外科手術(shù)器械6802顯微外科手術(shù)器械6803神經(jīng)外科手術(shù)器械6804眼科手術(shù)器械6805耳鼻喉科手術(shù)器械6806口腔科手術(shù)器械6807胸腔心血管外科手術(shù)器械6808腹部外科手術(shù)器械6809泌尿肛腸外科手術(shù)器械6810矯形外科骨科手術(shù)器械6811兒科手術(shù)器械6812婦產(chǎn)科用手術(shù)器械6813計(jì)劃生育手術(shù)器械6814中醫(yī)器械6815注射穿刺器械6816燒傷(整形)科手術(shù)器械6819其它科手術(shù)器械6820普通診察器械6821醫(yī)用電子儀器設(shè)備6822醫(yī)用光學(xué)器具儀器及內(nèi)窺鏡設(shè)備6823醫(yī)用超聲儀器及有關(guān)設(shè)備6824醫(yī)用激光儀器設(shè)備6825醫(yī)用高頻儀器設(shè)備6826物理治療及康復(fù)設(shè)備6827中醫(yī)儀器設(shè)備6828醫(yī)用磁共振設(shè)備6830醫(yī)用X射線設(shè)備6831醫(yī)用X射線附屬設(shè)備及部件6832
醫(yī)用高能射線設(shè)備6833
醫(yī)用核素設(shè)備6834醫(yī)用射線防護(hù)用品裝置6839
醫(yī)用射線設(shè)備專用檢測(cè)儀器6840臨床檢驗(yàn)分析儀器6841醫(yī)用化驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)備器具6845體外循環(huán)及血液處理設(shè)備6846植入材料和人工器官6854
手術(shù)室急救室診療室設(shè)備及器具6855
口腔科設(shè)備及器具6856病房護(hù)理設(shè)備及器具6857消毒和滅菌設(shè)備及器具6858醫(yī)用冷療低溫冷藏設(shè)備及器具6863口腔科材料6864醫(yī)用衛(wèi)生材料及敷料6865醫(yī)用縫合材料及粘合劑6866醫(yī)用高分子材料及制品6867醫(yī)用橡膠制品6870軟件6877介入器材6899其它醫(yī)療器械行業(yè)監(jiān)管體系的發(fā)展及現(xiàn)狀
醫(yī)療器械市場(chǎng)準(zhǔn)入制度的引入是在1989年,明確了政府監(jiān)督管理的核心是保證醫(yī)療器械產(chǎn)品的安全性、有效性,并逐步建立起一套行之有效的產(chǎn)品上市的行政管理辦法。
1999年12月18日召開的國(guó)務(wù)院第二十四次常務(wù)會(huì)議通過(guò)《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》,并于2000年1月4日以國(guó)務(wù)院令276號(hào)發(fā)布,在4月1日正式實(shí)施。這標(biāo)志著我國(guó)的醫(yī)療器械監(jiān)督管理進(jìn)入依法行政和依法監(jiān)督的新階段。
我國(guó)對(duì)醫(yī)療器械的分類
按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)定,境內(nèi)生產(chǎn)的醫(yī)療器械第一二類由省級(jí)藥品監(jiān)督管理部門負(fù)責(zé)審批。第三類醫(yī)療器械由國(guó)務(wù)院藥品監(jiān)督管理部門負(fù)責(zé)審批。其中,第一類產(chǎn)品可以直接獲得準(zhǔn)產(chǎn)注冊(cè);第二、三類產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)和準(zhǔn)產(chǎn)注冊(cè)階段。部分醫(yī)療器械品種需要同時(shí)獲得生產(chǎn)許可證和注冊(cè)證書,才能進(jìn)入市場(chǎng)流通。
境內(nèi)生產(chǎn)第三類產(chǎn)品注冊(cè)過(guò)程
生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品試制成功→產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編寫→進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)審查→產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)到當(dāng)?shù)厮幤繁O(jiān)督管理部門和技術(shù)監(jiān)督部門備案→到國(guó)家藥品監(jiān)督管理局認(rèn)可的相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品注冊(cè)、型式檢測(cè)→到國(guó)家藥品監(jiān)督管理部門獲得臨床試驗(yàn)準(zhǔn)許進(jìn)行臨床試驗(yàn)→到國(guó)家藥品監(jiān)督管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核→注冊(cè)資料的形式審查→召開專家評(píng)審會(huì)→獲得注冊(cè)證書關(guān)于進(jìn)口醫(yī)療器械的監(jiān)督管理
入世后,在市場(chǎng)準(zhǔn)入方面,進(jìn)口醫(yī)療器械應(yīng)該和國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械享受同樣的國(guó)民待遇。目前,我國(guó)和歐美日等先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)在醫(yī)療器械的市場(chǎng)準(zhǔn)入方面尚未實(shí)現(xiàn)互認(rèn)。
《條例》實(shí)施后,新的醫(yī)療器械注冊(cè)管理辦法加強(qiáng)了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的監(jiān)督管理方面的要求,使我國(guó)對(duì)境內(nèi)外醫(yī)療器械的監(jiān)督管理得到提升,國(guó)內(nèi)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力也得到一定的保障。醫(yī)療器械的發(fā)展動(dòng)態(tài)
中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)在世界市場(chǎng)所占份額及發(fā)展歷程
中國(guó)有13億人口,31萬(wàn)個(gè)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu),醫(yī)療器械有廣闊的市場(chǎng)。中國(guó)是全球醫(yī)療器械十大新興市場(chǎng)之一,已成為除日本以外亞洲最大的市場(chǎng)。2001年,中國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)容量達(dá)527億元,年均增長(zhǎng)率15%。但是,中國(guó)醫(yī)療器械在世界市場(chǎng)中的份額依然很低,仍有很大增長(zhǎng)空間。
2003年全球醫(yī)療器械工業(yè)銷售額已達(dá)到2044億美元。其發(fā)展水平代表了一個(gè)國(guó)家的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力與水平。2000年,在全球醫(yī)療器械銷售額中,美國(guó)所占份額高達(dá)41%,歐盟占27%,日本占14%,中國(guó)僅占2%,但市場(chǎng)潛力很大。2003年,中國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)容量達(dá)700億元以上,還有很大發(fā)展空間。21世紀(jì),醫(yī)療器械的發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點(diǎn):硬件性的醫(yī)療器械將更加智能化,需要更為成熟的信息數(shù)據(jù)庫(kù)的支持;
更為智能化和簡(jiǎn)易化的產(chǎn)品,將使得保健工作從醫(yī)院向家庭發(fā)展;
產(chǎn)品開發(fā)將使集成化的復(fù)合型趨勢(shì)將更加明顯;
技術(shù)發(fā)展將大大提高臨床診斷在時(shí)間上和空間上的精確性。
醫(yī)療器械發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)
未來(lái)的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)存在四大趨勢(shì),也是行業(yè)的增長(zhǎng)熱點(diǎn):
(一)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù):計(jì)算機(jī)輔助診斷、智能器械、生物傳感器械、機(jī)器人器械網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的新產(chǎn)品,如集成化病人醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)、病人智能卡、臨床實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助臨床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、生物傳感器等。(二)家庭和自我保健器械:家庭自我監(jiān)護(hù)與診斷、家庭自我醫(yī)療與遠(yuǎn)程醫(yī)療相應(yīng)產(chǎn)品。
(三)微創(chuàng)醫(yī)療器械:無(wú)創(chuàng)傷或微創(chuàng)傷的醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)成像、微型化醫(yī)療器械、激光診療和非植入式輔助傳感等。如各種內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管技術(shù)等無(wú)創(chuàng)和低創(chuàng)的直視檢查,將深入到人體各個(gè)臟器和部位,獲得精確的形態(tài)、功能、病理等電生理診斷。
(四)器官移植和輔助醫(yī)療器械:如人工骨、心臟瓣膜、心泵、軟骨、胰、血管、腎、皮膚、肝、眼和再生的神經(jīng)細(xì)胞及心臟、神經(jīng)肌肉刺激器等。
1.2生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)
1.2.1生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的范圍
生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的對(duì)象是具有生命的生物體,其基本的對(duì)象是人體。人體是由生物分子、細(xì)胞、器官和功能系統(tǒng)等各層次組成的復(fù)雜系統(tǒng)。因此,生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的范圍包括對(duì)生物體分子水平、細(xì)胞水平、器官水平和系統(tǒng)水平各層次的信息的測(cè)量。
生物醫(yī)學(xué)測(cè)量屬于弱信號(hào)測(cè)量范疇,具有弱信號(hào)測(cè)量的共同特點(diǎn),即要求測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強(qiáng)、抑制噪聲和抗干擾能力好。這一特點(diǎn)在生物電、生物磁信號(hào)的測(cè)量中尤為突出。
部分生物電和生物磁信號(hào)幅度范圍見下表1.2.2生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的基本特點(diǎn)
一.生物醫(yī)學(xué)測(cè)量基本屬于弱信號(hào)測(cè)量被測(cè)信號(hào)幅度范圍心電(皮膚電極)50
V-5mV腦電(頭皮電極)10
V-300
V肌電20
V-10mV細(xì)胞電位
100
V-+200
V視網(wǎng)膜電位0-1mV眼電0.05mV-5mV腎電位10
V-80mV心磁10-10T量級(jí)腦磁10-12T量級(jí)眼磁10-11T量級(jí)肺磁10-8T量級(jí)表:部分生物電和生物磁信號(hào)的幅度范圍
生物體是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng),如何從生物體中有效地提取被測(cè)信號(hào),是生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的重要問(wèn)題。在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中,不僅要抑制儀器系統(tǒng)的噪聲,更重要的是要充分認(rèn)識(shí)人體噪聲的性質(zhì)和特點(diǎn),采取有效辦法(如濾波、相關(guān)或自適應(yīng)處理,改進(jìn)信號(hào)耦合方法等),從人體噪聲中提取有用信號(hào)。二.生物體內(nèi)的噪聲對(duì)測(cè)量有重要影響三.信息測(cè)量中容易引入外界環(huán)境的干擾
(1)環(huán)境電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的干擾①電場(chǎng)干擾:最常見的電場(chǎng)干擾是工頻(50Hz)電場(chǎng)的干擾。②磁場(chǎng)干擾:變壓器、電動(dòng)機(jī)和熒光燈的鎮(zhèn)流器周圍產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)。③高頻電磁場(chǎng)干擾:空中的電磁波,通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入。三.信息測(cè)量中容易引入外界環(huán)境的干擾(2)外界刺激對(duì)測(cè)量的干擾外界刺激的干擾主要是通過(guò)生物體的感覺器官引入體內(nèi),引起生理狀態(tài)的異常改變,造成測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定或產(chǎn)生偽差。
各種生物體都是在內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境相適應(yīng)的條件下,維持其新陳代謝和生命。為適應(yīng)各種外環(huán)境的變化和差異,生物體內(nèi)各種系統(tǒng),包括一個(gè)細(xì)胞、器官、功能系統(tǒng)乃至整體,它們的功能活動(dòng)都在不停地變化著,調(diào)整著,以在內(nèi)外環(huán)境間保持動(dòng)態(tài)平衡。此外,遺傳因素也造成生物體各種功能、狀態(tài)的個(gè)體差異。這些因素使被測(cè)量的生物醫(yī)學(xué)信息往往具有多變性。四.生物醫(yī)學(xué)信息的多變性
為了獲取生物體內(nèi)的信息予以測(cè)量,生物醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)或儀器一般需通過(guò)傳感器或電極與生物體聯(lián)接,這些傳感器或電極,有些置于體表(皮膚外),有些需插入或植入機(jī)體內(nèi)部,因此產(chǎn)生了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)生物體的電安全性、機(jī)械安全性和化學(xué)安全性等問(wèn)題五.生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的安全要求
靈敏度
靈敏度是指儀器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化與輸入量變化之比,可表示為:S為靈敏度,
A0 和
Ai分別為輸出量變化和輸入量變化
1.2.3生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的主要技術(shù)指標(biāo)
頻率特性
頻率特性是指儀器輸出量和相位與輸入正弦信號(hào)頻率的關(guān)系。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過(guò)規(guī)定值(如3dB)的輸入信號(hào)頻率范圍稱為響應(yīng)頻率,又稱為通頻帶。部分常見生理信號(hào)的頻率范圍可參考表1-3。生理信號(hào)頻率范圍(HZ)心電0.01-250腦電0-150肌電0-10000眼電/視網(wǎng)膜電0-50胃電0.05-20
血流量0-30動(dòng)脈血壓0-100靜脈血壓0-50
脈搏波0.1-50心音2-2000呼吸率0.1-10部分常見生理信號(hào)的頻率范圍
精密度精密度簡(jiǎn)稱精度,用相同條件下重復(fù)測(cè)量間的最大偏差與儀器滿量程之比表示,即
Ai、Aj分別為任意兩次測(cè)量的結(jié)果值,H為儀器的最大測(cè)量范圍
準(zhǔn)確度
準(zhǔn)確度用儀器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果值同真值(理想值)間的最大偏差與儀器滿量程之比來(lái)表示,即
Ea為儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度,
Amax為實(shí)測(cè)值與真值間的最大偏差,H為儀器的滿量程
非線性度
非線性度用實(shí)測(cè)值和與相應(yīng)輸入量成正比關(guān)系的理論值間最大偏差同滿量程之比表示,即
EL為儀器的線性度,
ALmax為全量程內(nèi)的實(shí)測(cè)值與理論值之間的最大偏差,H為全量程儀器非線性度的示意圖
漂移漂移是指儀器的輸出量隨時(shí)間或外部環(huán)境變化而變化的程度,主要包括零點(diǎn)漂移、溫度漂移和靈敏度溫漂等指標(biāo)。①零點(diǎn)漂移:用無(wú)輸入信號(hào)和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時(shí)間內(nèi)的最大變化與滿量程之比來(lái)表示,即
Dz為零點(diǎn)漂移,
Azmax為指定時(shí)間內(nèi)在輸入量為零時(shí)輸出量的最大變化,H為儀器的滿量程
②溫度漂移:用無(wú)輸入信號(hào)條件下儀器的輸出量隨環(huán)境溫度的變化與儀器的滿量之比來(lái)表示,即
DT為溫度漂移,
AT為環(huán)境溫度變化
T時(shí)引起的儀器輸出量變化
③靈敏度溫漂:用一定環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)儀器靈敏度的最大相對(duì)變化量來(lái)表示,即
Ds為靈敏度溫漂,
Smax為一定溫度變化范圍內(nèi)儀器靈敏度的最大變化
分辨力
分辨力是指儀器分辨出最小的信息變化的能力。按被測(cè)信息的性質(zhì)和儀器用途的不同,儀器分辨力分為幅度分辨率、頻率分辨率、時(shí)間分辨率和空間分辨力等指標(biāo)。幅度分辨率一般用儀器最小可分辨的輸出信號(hào)幅度或大小與儀器滿量程之比來(lái)表示,即R為幅度分辨率,又稱為分辨率,Amin為儀器最小可分辨的輸出信號(hào)幅值或大小,H為儀器的滿量程。R愈小,儀器的幅度分辨率愈高
輸入阻抗和輸出阻抗輸入阻抗:指從一測(cè)量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸入端測(cè)得的系統(tǒng)自身的阻抗,即
Zi為系統(tǒng)的輸入阻抗,Vi和Ii分別為從系統(tǒng)輸入端測(cè)得的輸入電壓和輸入電流
輸出阻抗:指從一測(cè)量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸出端測(cè)得的系統(tǒng)自身的阻抗,即
Zo為系統(tǒng)的輸出阻抗,Zh為輸出端接入的負(fù)載阻抗,Vo和Vh分別為系統(tǒng)輸出端開路和接入負(fù)載阻抗Zh時(shí)的輸出電壓
漏電流
生物醫(yī)學(xué)儀器對(duì)人體電擊危險(xiǎn)的主要來(lái)源,有三種:接地漏電流:儀器接地導(dǎo)線流入大地的電流。機(jī)殼漏電流:儀器外殼經(jīng)外部導(dǎo)體流入大地,或流向系統(tǒng)其它部分的電流?;颊呗╇娏鳎航?jīng)聯(lián)接患者身體的導(dǎo)線或被測(cè)患者身體流入大地的電流。
生物醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的漏電流漏電流種類B型儀器BF型儀器CF型儀器正常單一故障正常單一故障正常單一故障接地漏電流0.510.510.51機(jī)殼漏電流0.10.50.10.50.010.5患者漏電流0.10.50.10.50.010.05
生物醫(yī)學(xué)儀器的漏電流允許值(mA)
1.3.數(shù)字化醫(yī)儀組成特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法
1.3.1數(shù)字化儀器的組成及特點(diǎn)
微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)展,電子測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合愈加緊密,形成一種全新的以微機(jī)數(shù)字化處理為特征的儀器,即“數(shù)字化儀器”或稱“智能儀器”。一.?dāng)?shù)字化儀器的典型結(jié)構(gòu)
數(shù)字化儀器核心是專用的微機(jī)系統(tǒng),由硬件和軟件兩大部分組成。
硬件部分:包括主機(jī)電路、模擬量I/0通道、人機(jī)聯(lián)系部件與接口電路、標(biāo)準(zhǔn)通信接口等(見下頁(yè)圖)。
主機(jī)電路用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù),進(jìn)行運(yùn)算和處理,通常由微處理器、程序存儲(chǔ)器、I/0接口電路等組成。
數(shù)字化儀器通用結(jié)構(gòu)框圖
模擬量輸入輸出通道用來(lái)輸入輸出模擬量信號(hào),主要由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和有關(guān)的模擬信號(hào)處理電路等組成。
人機(jī)聯(lián)系部件主要由儀器面板中的鍵盤和顯示器等組成。
標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路用于實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系,數(shù)字化儀器一般都配有并行或串行等標(biāo)準(zhǔn)通信接口。軟件部分:包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。
監(jiān)控程序面向儀器面板鍵盤和顯示器,包括:通過(guò)鍵盤操作輸入并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù);通過(guò)控制I/O接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置;對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理;以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。
接口管理程序主要面向通信接口,其內(nèi)容是接受并分析來(lái)自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼,并通過(guò)通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果,以響應(yīng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)控命令。二.?dāng)?shù)字化儀器的主要特點(diǎn)
(1)數(shù)字化儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關(guān)來(lái)實(shí)施對(duì)儀器的控制,從而使儀器面板的布置和儀器內(nèi)部有關(guān)部件的安排不再相互限制和牽連。(2)微處理器的運(yùn)用極大地提高了儀器的性能。例如智能儀器利用微處理器的運(yùn)算和邏輯判斷功能,按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的變化和干擾等因素所引起的誤差、從而提高了儀器的測(cè)量精度。
(3)數(shù)字化儀器運(yùn)用微處理器的控制功能,可以方便地實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)調(diào)零、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷等功能,有力地改善了儀器的自動(dòng)化測(cè)量水平。
(4)數(shù)字化儀器具有友好的有人—機(jī)對(duì)話的能力,使用人員只需通過(guò)鍵盤打人命令,儀器就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量和處理功能,與此同時(shí),智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴使用人員,使人一機(jī)之間的聯(lián)系非常密切。
(5)數(shù)字化儀器一般都配有GP—IB或RS一232等接口,使數(shù)字化儀器具有可程控操作的能力。從而可阻很方便地與計(jì)算機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),來(lái)完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。
數(shù)字化儀器是以微處理器為核心的電子儀器,它不僅要求設(shè)計(jì)者熟悉電子儀器的工作原理,而且還要求掌握微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件的原理。因而其設(shè)計(jì)不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計(jì)方法和手段。
1.3.2數(shù)字化儀器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)一.設(shè)計(jì)、研制數(shù)字化儀器的一般過(guò)程
確定設(shè)計(jì)任務(wù)擬制總體設(shè)計(jì)方案,選擇微處理器芯片確定儀器工作總框圖硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試整機(jī)聯(lián)調(diào)二.微處理器的選擇
微處理器是整個(gè)儀器的核心部件,它直接影響整機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì),并對(duì)數(shù)字化儀器的功能、性能價(jià)格比以及研制周期起決定性的作用。因此在設(shè)計(jì)任務(wù)確定之后,首先應(yīng)對(duì)微處理器進(jìn)行選擇。
70年代以來(lái),在新技術(shù)革命的推動(dòng)下,尤其是微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步,使電子儀器的整體水平發(fā)生很大變化,先后出現(xiàn)獨(dú)立式數(shù)字化儀器、GP—IB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、插卡式數(shù)字化儀器(個(gè)人儀器),在此基礎(chǔ)上,1987年又問(wèn)世了一種被稱為21世紀(jì)儀器的VXI總線儀器系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)集中了數(shù)字化儀器、GP一IB總線、個(gè)人儀器的很多特長(zhǎng),是一種全世界范圍內(nèi)完全開放的,適用多供貨廠商的模塊總線儀器系統(tǒng),已被公認(rèn)為當(dāng)前儀器發(fā)展的世界潮流。
1.3.3數(shù)字化儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展一.獨(dú)立式數(shù)字化儀器及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
獨(dú)立式數(shù)字化儀器(簡(jiǎn)稱數(shù)字化儀器)即前述的自身帶有微處理器能獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試的電子儀器,數(shù)字化儀器是現(xiàn)階段智能化電子儀器的主體。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性和多功能性,對(duì)于不同的測(cè)試任務(wù),只需增減或更換“掛”在它上面的儀器設(shè)備,編制相應(yīng)的測(cè)試軟件,而系統(tǒng)本身不變。
典型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
二.個(gè)人PC儀器系統(tǒng)及VXI總線儀器系統(tǒng)
個(gè)人PC儀器是在數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)上,伴隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)登上電子測(cè)量的舞臺(tái)而創(chuàng)造出的一種嶄新的儀器品種,它是將原數(shù)字化儀器中的測(cè)量部分配以相應(yīng)的接口電路制成各種儀器卡,插入到PC的總線插槽或擴(kuò)展箱內(nèi),而原數(shù)字化儀器所需的鍵盤、顯示器以及存儲(chǔ)器等均借助于PC機(jī)的資源,就構(gòu)成了個(gè)人PC儀器(又稱PC儀器或儀器卡)。
VXI總線是一個(gè)開放式結(jié)構(gòu),它對(duì)所有儀器生產(chǎn)廠家和用戶都是公開的,即允許不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的卡式儀器都可在同一機(jī)箱中工作,從而使VXI總線很快就成為測(cè)試系統(tǒng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
VXI總線是面向模塊式結(jié)構(gòu)的儀器的總線,與GP-IB總線相比較其性能有了較大幅度提高。下圖顯示出典型的VXI總線儀器的構(gòu)成形式。典型VXI總線儀器系統(tǒng)圖三.軟件技術(shù)的高速發(fā)展及虛擬儀器
在新一代的儀器系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)軟件和測(cè)試儀器更加緊密地結(jié)合在一起,為了使儀器系統(tǒng)的硬件設(shè)備盡量少,傳統(tǒng)儀器的許多硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件代替,例如只使用一塊A/D卡,借助于計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能,在軟件的配合下就可能實(shí)現(xiàn)多種儀器的功能,如數(shù)字多用表,數(shù)字存儲(chǔ)示波器,數(shù)字頻譜分析,數(shù)字采集系統(tǒng),數(shù)字頻率計(jì)等。在新一代儀器系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)處于核心地位。以計(jì)算機(jī)為核心的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖所示。與計(jì)算機(jī)一起工作的儀器共有四類,即GP—IB儀器、RS一232儀器、VXI儀器和數(shù)據(jù)采集板。以計(jì)算機(jī)為核心的儀器系統(tǒng)圖1.3.4我國(guó)醫(yī)學(xué)計(jì)量與醫(yī)療器械監(jiān)督管理概況一、計(jì)量的法制、法規(guī)與管理1、計(jì)量法律、法規(guī)概述
計(jì)量的概念是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展逐步形成的。當(dāng)生產(chǎn)和商品交換變成社會(huì)性活動(dòng)時(shí),客觀上就需要測(cè)量的統(tǒng)一,即要求在一定準(zhǔn)確度內(nèi)對(duì)同一物體在不同地點(diǎn),用不同的測(cè)量手段,達(dá)到測(cè)量結(jié)果的一致。為此,就要求以法定的形式建立統(tǒng)一的計(jì)量單位制。建立計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),并以這種計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定其他計(jì)量器具,以保證量值的準(zhǔn)確可靠,從而形成區(qū)別子測(cè)量的新概念——計(jì)量。醫(yī)學(xué)計(jì)量監(jiān)督管理《中華人民共和國(guó)計(jì)量法》(簡(jiǎn)稱《計(jì)量法》)是計(jì)量單位制的統(tǒng)一,建立的法律制度使計(jì)量具有權(quán)威性和強(qiáng)制力。它作為國(guó)家管理計(jì)量工作的根本法,是實(shí)施計(jì)量法制監(jiān)督的最高準(zhǔn)則。其基本內(nèi)容是:計(jì)量立法宗旨、調(diào)整范圍、計(jì)量單位制、計(jì)量器具管理、計(jì)量監(jiān)督、計(jì)量授權(quán)、計(jì)量認(rèn)證、計(jì)量糾紛的處理和計(jì)量法律責(zé)任等。2、計(jì)量器具的管理(1)計(jì)量器具的定義:?jiǎn)为?dú)地或連同輔助設(shè)備一起用以進(jìn)行測(cè)量的器具。它指能用以直接或間接測(cè)出被測(cè)對(duì)象量值的裝置、儀器儀表、量具和用于統(tǒng)一量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等,包括計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作計(jì)量器具。計(jì)量器具廣泛用于生產(chǎn)、科研、商貿(mào)領(lǐng)域和人民生活的各個(gè)方面,有極其廣闊的社會(huì)性,在整個(gè)計(jì)量立法中處于相當(dāng)重要的地位。所謂全國(guó)量值的統(tǒng)一,首先表現(xiàn)在計(jì)量器具的準(zhǔn)確一致上。按照計(jì)量學(xué)用途分類,計(jì)量器具可分為:醫(yī)學(xué)計(jì)量監(jiān)督管理1)計(jì)量基準(zhǔn)器具:即國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn),簡(jiǎn)稱計(jì)量基準(zhǔn),是指經(jīng)國(guó)家決定承認(rèn)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。所有計(jì)量器具進(jìn)行的一切測(cè)量均可追溯到國(guó)家基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)或像存的計(jì)量單位量值。2)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具:簡(jiǎn)稱計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),是指準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)的,用于檢定其他計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具的計(jì)量器具。它處于中間環(huán)節(jié),起著承上啟下的作用確保全國(guó)測(cè)量活動(dòng)達(dá)到統(tǒng)一。3)工作計(jì)量器具:不是用于檢定而是直接用于確定被測(cè)對(duì)象量值的計(jì)量器具。醫(yī)學(xué)計(jì)量監(jiān)督管理(2)計(jì)量器具的管理
計(jì)量器具是保障生產(chǎn)、科研以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活正常秩序的比不可少的技術(shù)工具。對(duì)計(jì)量器具依法實(shí)施監(jiān)督管理,一般分為:制造、修理、進(jìn)口、銷售和使用5個(gè)方面,是政府計(jì)量行政部門的一項(xiàng)重要任務(wù)。3、計(jì)量鑒定管理(1)計(jì)量檢定概述:計(jì)量檢定是指查明和確認(rèn)計(jì)量器具是否符合法定要求的程序,它包括檢查、加標(biāo)記和(或)出具檢定證書。1)計(jì)量檢定具有以下特點(diǎn)
①計(jì)量檢定的對(duì)象是計(jì)量器具(合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)),不是一般的工業(yè)產(chǎn)品。②計(jì)量檢定的主要作用,在于評(píng)定計(jì)量器具的計(jì)量特性,確定其示值誤差大小以及安全性,確保全國(guó)量值的溯源性。③檢定的結(jié)論是確定被檢計(jì)量器具是否合格。④檢定具有監(jiān)督管理的性質(zhì),是計(jì)量技術(shù)活動(dòng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。如法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)所進(jìn)行的檢定,屬于國(guó)家對(duì)計(jì)量器具的一種技術(shù)監(jiān)督,出具的檢定證書作為證明文件在社會(huì)上具有特定的效力。計(jì)量鑒定管理2)我國(guó)計(jì)量檢定的體制我國(guó)計(jì)量檢定體制與計(jì)量監(jiān)督管理體制是截然不同的。按照《計(jì)量法》第4條規(guī)定,我國(guó)的計(jì)量監(jiān)督管理是按行政區(qū)劃分實(shí)施的,而計(jì)量檢定則是打破行政區(qū)劃分和部門的界限,按照經(jīng)濟(jì)合理的原則就地就近進(jìn)行的。所謂“就地就近”,是指開展計(jì)量檢定可以不受行政區(qū)劃分和部門管轄的限制。企業(yè)、事業(yè)單位根據(jù)需要可以建立本單位使用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),其各項(xiàng)最高標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)有關(guān)的政府計(jì)量行政部門主持考核合格后使用。計(jì)量鑒定管理(2)計(jì)量強(qiáng)制檢定:計(jì)量強(qiáng)制檢定是指由縣級(jí)以上人民政府計(jì)量行政部門指定的法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)或授權(quán)的計(jì)量檢定機(jī)構(gòu),對(duì)社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),以及對(duì)列入強(qiáng)制檢定目錄的工作計(jì)量器具實(shí)行的定期檢定。這種檢定所依據(jù)的法律規(guī)定,不允許任何人以任何方式加以變通和違反,沒有選擇的余地,必須按照規(guī)定去辦。強(qiáng)制檢定非強(qiáng)制檢定管理政府計(jì)量部門直接管理使用單位依法自行管理送檢渠道一般是固定的
使用單位可以自由送檢,自求溯源檢定周期由執(zhí)行強(qiáng)檢的技術(shù)機(jī)構(gòu)確定
使用單位可在計(jì)量檢定規(guī)程允許的范圍內(nèi)自行規(guī)定。如果單位不能檢定,應(yīng)送到有權(quán)開展量值傳遞的其它計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期檢定范圍
社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具,部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具;以及用以貿(mào)易結(jié)算、安全防護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的列入強(qiáng)制檢定目錄的工作計(jì)量器具
除了強(qiáng)檢以外的其它計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作計(jì)量器具4、醫(yī)療器械的監(jiān)督
縣級(jí)以上人民政府藥品監(jiān)督管理部門設(shè)醫(yī)療器械監(jiān)督員。醫(yī)療器械監(jiān)督員對(duì)本行政區(qū)域內(nèi)的醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)營(yíng)企業(yè)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)督、檢查;必要時(shí),可以按照國(guó)務(wù)院藥品監(jiān)督管理部門的規(guī)定抽取樣品和索取有關(guān)資料,有關(guān)單位人員不得拒絕和隱瞞監(jiān)督員對(duì)所取得的樣品資料負(fù)有保密義務(wù);國(guó)家對(duì)醫(yī)療器械檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)行資格認(rèn)可制度。經(jīng)國(guó)務(wù)院藥品監(jiān)督管理部門會(huì)同國(guó)務(wù)院質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門認(rèn)可的檢測(cè)機(jī)構(gòu),方可對(duì)醫(yī)療器械實(shí)施檢測(cè);醫(yī)療器械的監(jiān)督對(duì)已經(jīng)造成醫(yī)療器械質(zhì)量事故或者可能造成醫(yī)療器械質(zhì)量事故的產(chǎn)品及有關(guān)資料,縣級(jí)以上地方人民政府藥品監(jiān)督管理部門可以予以查封、扣押;對(duì)不能保證安全、有效的醫(yī)療器械,由省級(jí)以上人民政府藥品監(jiān)督管理部門撤銷其產(chǎn)品注冊(cè)證書。被撤銷產(chǎn)品注冊(cè)證書的醫(yī)療器械不得生產(chǎn)、銷售和使用,已經(jīng)生產(chǎn)或者進(jìn)口的,由縣級(jí)以上地方人民政府藥品監(jiān)督管理部門負(fù)責(zé)監(jiān)督處理
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(guò)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(wú)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(lái)代表這個(gè)模擬量,這個(gè)過(guò)程就是采樣。采樣是通過(guò)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(guò)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”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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)表示。如ADC0809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(lái)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)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、積分式、并行式等三類。
逐次逼近式:轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換精度比較適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在1~100
s之間,轉(zhuǎn)換精度一般在0.1%上下,適用于一般場(chǎng)合。
積分式:轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在ms級(jí)。適用于要求精度高,但轉(zhuǎn)換速度較慢的儀器中使用。
并行式:采用并行比較,轉(zhuǎn)換速率可以很高,其轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)ns級(jí),可用于醫(yī)學(xué)圖象處理等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中。2.1.2 逐次逼近式ADC
逐次逼近式A/D原理概述
N位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器(圖2-4),由N位寄存器、N位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、邏輯控制電路、輸出緩沖器等五部分組成。工作原理:?jiǎn)?dòng)信號(hào)作用后,時(shí)鐘信號(hào)先通過(guò)邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1,以下各位為0,這個(gè)二進(jìn)制代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U0(此時(shí)為全量程電壓的一半)送到比較器與輸入模擬電壓UX比較。若UX>U0,則保留這一位;若UX<U0,則DN-1
位置0。逐次逼近式A/D原理概述
DN-1位比較完畢后,再對(duì)下一位即DN-2位進(jìn)行比較,控制電路使寄存器DN-2為1,其以下各位仍為0,然后再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后再次送到比較器與UX相比較。如此一位一位地比較下去,直至最后一位D0比較完畢為止。最后,發(fā)出EOC信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣經(jīng)過(guò)N次比較后,N位寄存器保留的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)。圖2-4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)
A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程已不重要
目前,逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器大都做成單片集成電路的形式,使用時(shí)只需發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào),然后在EOC端查知A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后,取出數(shù)據(jù)即可。這類芯片有ADC0809、ADC1210、ADC7574、AD574、TLC549、MAX1241等是應(yīng)用得最多的A/D轉(zhuǎn)換器類型。ADC0809芯片及其接口
ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它能分時(shí)地對(duì)8路模擬量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,結(jié)果為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)如圖2-5所示,它由三大部分組成:第一部分是:8路輸入模擬量選擇電路;第二部分是:一個(gè)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器;第三部分是:三態(tài)輸出緩沖鎖存器。ADC0809原理結(jié)構(gòu)圖
圖2-5ADC0809原理結(jié)構(gòu)圖
8路輸入模擬量選擇電路
8路輸入模擬量選擇電路:
8路輸入模擬量信號(hào)分別接到IN0到IN7端,究竟選通哪一路去進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換由地址鎖存器與譯碼器電路控制,見右表所示。
A,B,C為輸入地址選擇線,地址信息由ALE的上升沿打入地址鎖存器。ALECBA接通信號(hào)111111110000001010011100101110111
IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通表2-1ADC0809真值表
逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器
START為啟動(dòng)信號(hào),要求輸入正脈沖信號(hào),在上升沿復(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器,在下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位,“0”表示正在轉(zhuǎn)換,“1”表示一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。CLOCK為外部時(shí)鐘輸入信號(hào),時(shí)鐘頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率,ADC0809每一通道的轉(zhuǎn)換約需(66~73)個(gè)時(shí)鐘周期,當(dāng)時(shí)鐘頻率取640KHz時(shí),轉(zhuǎn)換一次約需100
s時(shí)間,這是ADC0809所能允許的最短轉(zhuǎn)換時(shí)間。三態(tài)輸出緩沖鎖存器
A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是由EOC信號(hào)打入三態(tài)輸出緩沖鎖存器。
OE為輸出允許信號(hào),當(dāng)向OE端輸入一個(gè)高電平時(shí),三態(tài)門電路被選通,這時(shí)便可讀取結(jié)果。否則緩沖鎖存器輸出為高阻態(tài)。ADC0809的時(shí)序圖
ADC0809的時(shí)序圖如圖2-6所示。啟動(dòng)ADC0809后,EOC約在10
s后才變?yōu)榈碗娖?,因而在用START啟動(dòng)0809轉(zhuǎn)換器后,不能立即通過(guò)檢測(cè)EOC來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,而應(yīng)等待約10
s再檢測(cè),否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。圖2-6ADC0809時(shí)序圖
ADC0809與單片機(jī)8031接口電路
ADC0809輸出帶有三態(tài)輸出緩沖鎖存器,因而不加I/O接口芯片,可以直接接到微機(jī)系統(tǒng)的總線上。
ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)由8031的ALE端的輸出脈沖(其頻率為8031時(shí)鐘頻率的1/6)經(jīng)二分頻得到,8031由地址線P2.0和讀寫控制線啟動(dòng)ADC0809的START、地址鎖存ALE和輸出允許OE信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC反相后連至8031的INT1(P3.3)。模擬輸入通道地址的譯碼輸入信號(hào)A,B,C由P0.0~P0.2提供。根據(jù)以上連接,0809的地址為FEFFH。圖2-7ADC0809與單片機(jī)8031接口電路A/D轉(zhuǎn)換常用的軟件控制方式
常用的控制方式主要有:程序查詢方式、延時(shí)等待方式和中斷方式。1.程序查詢方式 微處理器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后,讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束;若轉(zhuǎn)換結(jié)束,可以讀入數(shù)據(jù);否則再繼續(xù)查詢,直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。 微機(jī)“查詢”消耗時(shí)間,效率低,但比較簡(jiǎn)單,可靠性高。實(shí)際應(yīng)用還是比較普遍的。A/D轉(zhuǎn)換常用的軟件控制方式2.延時(shí)等待方式 啟動(dòng)A/D后,根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間(如ADC0809為100
s)軟件延時(shí)等待,延時(shí)結(jié)束,讀入數(shù)據(jù)。這種方法可靠性高,不占查詢端口。3.中斷方式 微處理器啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后可轉(zhuǎn)去處理其他事情,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束便向微處理器發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào),微處理器響應(yīng)中斷后再來(lái)讀入數(shù)據(jù)。微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器并行工作,提高了工作效率。ADC0809與單片機(jī)8031接口實(shí)例
以下圖示的ADC0809與單片機(jī)8031接口電路,給出查詢、延時(shí)和中斷這三種方式下的轉(zhuǎn)換程序。轉(zhuǎn)換程序是將由IN0端輸入的0~5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00H~FFH,然后再存入8031內(nèi)部RAM的30H單元中。a. 查詢方式
MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H
;賦通道0地址
MOVX@DPTR,A;啟動(dòng)IN0轉(zhuǎn)換
MOV R2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延時(shí),等待EOC變低WAIT:JB P3.3,WAIT;查詢,等待EOC變高
MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;結(jié)果存30Hb. 延時(shí)等待方式
MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H;賦通道0地址
MOVX@DPTR,A;啟動(dòng)IN0轉(zhuǎn)換
MOV R2,#40HWAIT:DJNZ R2,DLY;延時(shí)約120uS MOVXA,@DPTR MOV 30H,A;結(jié)果存30Hc.中斷方式
主程序:
MAIN: SETB IT1;選INT1為邊沿觸發(fā)
SETB EX1;允許INT1中斷
SETB EA;打開中斷
MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H
MOVX@DPTR,A;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
;執(zhí)行其他任務(wù)中斷服務(wù)程序INT1: PUSH DPL;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)
PUSH DPH PUSHA MOV DPTR,#0FEFFH MOVX A,@DPTR;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果
MOV 30H,A;結(jié)果存30H MOV A,00H
MOVX @DPTR,A;啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換
POP A POP DPH POP DPL;返回現(xiàn)場(chǎng)
RETI;返回AD574芯片及其接口
AD574是12位快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,其最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為25
s,轉(zhuǎn)換誤差為
1LSB。AD574具有下述幾個(gè)基本特點(diǎn):片內(nèi)含有電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路等,因而外圍電路較少;數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器,因而可直接與微處理器接口;模擬量輸入有單極性和雙極性兩種方式,接成單極性方式時(shí),輸入電壓范圍為0~10V或0~20V,接成雙極性方式時(shí),輸入電壓范圍為-5V~5V,-10V~10V。圖2-8AD574原理與引腳圖
AD574原理與主要引腳信號(hào)定義
CS:片選信號(hào),低電平有效。CE:片使能信號(hào),高電平有效。R/C:讀/啟動(dòng)信號(hào),高時(shí)讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,低時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。12/8:輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度控制信號(hào),高為12位,低為8位。STS:工作狀態(tài)信號(hào),高為正在轉(zhuǎn)換,低為轉(zhuǎn)換結(jié)束。A0:有兩種含義:當(dāng)R/C為低時(shí),A0為高,啟動(dòng)8位A/D轉(zhuǎn)換;A0為低,啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)R/C為高時(shí),A0為高,輸出低4位數(shù)據(jù);A0為低,輸出高8位數(shù)據(jù)上述5個(gè)信號(hào)的組合所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)見表2-2所示。STS:工作狀態(tài)信號(hào),高表示正在轉(zhuǎn)換,低表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。REFIN:基準(zhǔn)輸出線。BIPOFF:?jiǎn)螛O性補(bǔ)償。DB11~DB0:12位數(shù)據(jù)線。10VIN,20VIN:模擬量輸入端。表2-2AD574的操作表2-2AD574的操作
AD574與8031單片機(jī)的接口電路
根據(jù)AD574各引腳的功能,8031單片機(jī)與AD574的接口電路可按如圖2-9所示電路來(lái)安排。由于8031的高8位地址P2.0~P2.7沒有使用,故可采用寄存器間接尋址方式。其中啟動(dòng)A/D的地址為1FH,讀出低4位數(shù)地址為7FH,讀出高8位數(shù)地址為3FH。
圖2-9AD574與8031單片機(jī)的接口電路AD574與8031單片機(jī)的接口電路
圖中STS可有三種接法以對(duì)應(yīng)三種控制方式:(1)如STS空著,單片機(jī)只能采取延時(shí)等待方式,在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后,延時(shí)25
s以上時(shí)間,再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果;(2)如STS接單片機(jī)一條端口線,單片機(jī)就可以用查詢的方法等待STS為低后再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果;(3)如STS接單片機(jī)外部中斷線,就可以在引起單片機(jī)中斷后,再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用延時(shí)等待方式的控制程序清單:MOV R0,#1FH ;啟動(dòng)MOVX @R0,AMOV R7,#10H ;延時(shí)DJNZ R7,$MOV R1,#7FH ;讀低4位MOVX A,@R1MOV R2,A ;存低4位MOV R1,#3FH ;讀高8位MOVX A,@R1 MOV R3,A ;存高8位SJMP $單極性模擬輸入方式接線的調(diào)整
單極性模入方式(圖2-9)中,10VIN輸入電壓范圍為0V~+10V,1LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓為2.44mV;20VIN輸入電壓范圍為0V~20V,1LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓為4.88mV。R1用于零點(diǎn)調(diào)整,R2用于滿刻度校準(zhǔn)。方法為:如輸入電壓接10VIN端,調(diào)整R1,使輸入模擬電壓為1.22mV(即1/2LSB)時(shí),輸出數(shù)字量從000000000000變到000000000001;調(diào)整R2,使得輸入電壓為9.9963V時(shí),數(shù)字量從111111111110變到111111111111。雙極性模擬輸入方式的調(diào)整
對(duì)于雙極性模入方式,把REFIN,REFOUT,和BIPOFF三個(gè)引腳的接線按圖2-10重新安排,雙極性模入方式零點(diǎn)與滿刻度校準(zhǔn)方法與單極性方式近似。需要注意的是,輸入模擬量與輸出數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
10VIN端輸入時(shí):-5V→0V→十5V對(duì)應(yīng)000H→800H→FFFH20VIN端輸入時(shí):一10V→0V→十10V對(duì)應(yīng)000H→800H→FFFH圖2-10AD574雙極性模擬輸入接線方式
MAX1241芯片及其接口
以串行數(shù)據(jù)形式輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有引腳少、體積小的特點(diǎn);接口所需的I/O位數(shù)也比較少。有利于提高儀器的集成度和減小體積,能方便、廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行模擬與數(shù)字隔離的場(chǎng)合。串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器雖有多種型號(hào),接口時(shí)序也有所不同。但接口的實(shí)現(xiàn)和控制方法還是基本相同的?,F(xiàn)以MAX1241為例來(lái)說(shuō)明串行輸出ADC接口技術(shù)。MAX1241串行輸出單片ADC簡(jiǎn)介
MAX1241是一種低功耗、低電壓的12位逐次逼近型ADC,最大非線性誤差小于1LSB,轉(zhuǎn)換時(shí)間9
s。采用三線式串行接口,內(nèi)置快速采樣/保持電路。其結(jié)構(gòu)和引腳定義如圖2-11所示。
圖2-11MAX1241內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳定義
MAX1241串行輸出單片ADC簡(jiǎn)介MAX1241采用8引腳DIP或SO形式封裝,完善的內(nèi)部電路幾乎不需要外圍器件即能工作。內(nèi)置采樣/保持電路在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí),自動(dòng)捕捉信號(hào),最大捕捉時(shí)間1.5
s。
12位逐次逼近型ADC的并行輸出經(jīng)輸出移位寄存器變換為串行輸出,整個(gè)工作過(guò)程受控于三線串行接口。
表2-3MAX1241管腳功能
MAX1241采用單電源供電,動(dòng)態(tài)功耗在以每秒73K轉(zhuǎn)換速率工作時(shí),僅需0.9mA電流。在停止轉(zhuǎn)換時(shí),可通過(guò)控制端使其處于休眠狀態(tài),以降低靜態(tài)功耗。休眠方式下,電源電流僅1
A。MAXI241的工作時(shí)序
MAXI241的工作時(shí)序(圖2-12):每次轉(zhuǎn)換由芯片選通信號(hào)的下降沿觸發(fā),但此時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘SCLK必須為低。
A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后,內(nèi)部控制邏輯切換采樣/保持電路為保持狀態(tài),并使輸出數(shù)據(jù)線DOUT變低。在整個(gè)轉(zhuǎn)換期內(nèi),SCLK應(yīng)保持低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)DOUT由低變高。一次轉(zhuǎn)換結(jié)束,內(nèi)部控制邏輯將自動(dòng)把采樣/保持器切換為捕捉狀態(tài)。圖2-12MAX1241工作時(shí)序
MAXI241的工作時(shí)序
對(duì)MAX1241轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸入在轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行,由驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘SCLK的下降沿觸發(fā)一位數(shù)據(jù)輸出。在下一個(gè)SCLK脈沖下降沿到來(lái)前,該位數(shù)據(jù)將始終保持在DOUT輸出端上。數(shù)據(jù)輸出從最高位開始,每個(gè)SCLK脈沖下降沿輸出一位。第12個(gè)SCLK的下降沿輸出最低位。在數(shù)據(jù)輸出周期內(nèi),必須保持低電平,若在第13個(gè)SCLK下降沿后,仍保持低電平,DOUT則一直保持為低電平。
2.MAX1241與8031/51的接口
MAX1241與微機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)有二種選擇,一是使用普通端口,利用程序?qū)崿F(xiàn)串行輸入。另一種則是直接使用串行接口。前者輸入速度低,后者需占用串行通信口。(l)MAX1241與8031/51的通用I/O方式接口:
MAX1241與8031/51的通用I/O接口如圖2-13所示。接口使用三位通用I/O端口P1.0~P1.2。其中P1.0用于片選信號(hào),P1.1產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖SCLK,P1.2為數(shù)據(jù)輸入。
控制程序如下:控制子程序完成一次A/D轉(zhuǎn)換和輸入,輸入數(shù)據(jù)存放于R0,R1寄存器。;寄存器及端口定義:CS:
BIT P1.0 ;片選信號(hào)位DOUT:
BIT P1.2 ;串行數(shù)據(jù)輸入位SCLK:
BIT P1.1 ;驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘位DATA_BH:
EQU R0 ;高字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元DATA_BL:
EQU R1 ;低字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元CONT_H:
EQU R0 ;高位取數(shù)計(jì)數(shù)器CONT_L:
EQU R1 ;低8位取數(shù)計(jì)數(shù)器
;控制子程序SADC_R:
XRL A,A ;清AMOV CONT_H,#04H;高8位計(jì)數(shù)
MOV CONT_L,#08H;低8位計(jì)數(shù)
CLRSCLK ;SCLK置“0” CLRCS ;選中1241,啟動(dòng)轉(zhuǎn)換SADCEND:JNB DOUT,SADC_END;檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束READ_H:
SETB SCLK CLR SCLK ;產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘
MOVC,DOUT ;輸入一位數(shù)據(jù)
RLCA ;數(shù)據(jù)移位至ACC.0DJNZ CONT_H,READ_H;高
4位輸入結(jié)束判別
MOV DATA_BH,A ;高
4位數(shù)據(jù)送寄存器READ_L:
SETB SCLK CLR SCLK ;產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘
MOVC,DOUT ;輸入一位數(shù)據(jù)
RLC A ;數(shù)據(jù)移位置ACC.0DJNZ CONT_L,READ_L;低8位輸入結(jié)束判別
MOV DATA_BL,A ;低8位數(shù)據(jù)送寄存器
SETB SCLK CLR SCLK ;清
DOUT輸出
SETB CS ;撤消片選
RET(2)MAX1241與8031/51串行接口
當(dāng)使用8031/51串行口實(shí)現(xiàn)與MAX1241聯(lián)接時(shí),串行口應(yīng)工作于同步移位寄存器方式(方式0)。此時(shí),串行口的接受數(shù)據(jù)端RXD(P3.0)被用于接受MAX1241的輸出數(shù)據(jù)。而發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD(P3.1)則被用于提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,為滿足時(shí)序要求;應(yīng)將其反相。片選信號(hào)仍使用P1.0。接口電路如圖2-14所示。8031/51串行接口控制程序
由于8031/51串行口一次只能接受8位數(shù)據(jù),故12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果必須分二次接受。同前述程序直接輸入一樣,控制程序必須檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),即DOUT的上跳變,只要當(dāng)DOUT變?yōu)楦唠娖胶螅侥軉?dòng)串行接受。接口控制程序如下所示:MAX1241ADC串行接口控制子程序;寄存器及端口定義CS:
BITP1.0EOC:
BITP3.0DATA_BH:EQUR0 ;接受數(shù)據(jù)高位存儲(chǔ)寄存器DATA_BL:
EQUR1 ;接受數(shù)據(jù)低位存儲(chǔ)寄存器
;串行口設(shè)置子程序SPOR_SET:CLRES ;禁止串行中斷
MOVSCON,#00H;串行口為方式0,停止接受
SETBCS ;禁止
ADCRET;接口控制子程序SAD_SR:
CLRCS ;啟動(dòng)
A/D轉(zhuǎn)換AD_NEND:
JNBEOC,AD_NEND ;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
SETB REN ;啟動(dòng)串行接收FR_NEND:
JNBRI,F(xiàn)R_NEND ;等待接收結(jié)束
MOVDATA_BH,SBUF ;從串行數(shù)據(jù)緩沖器輸入高8位數(shù)據(jù)
CLRRI ;啟動(dòng)第二次接收SR_NEND:
JNBRI,SR_NEND ;等待接收結(jié)束
MOVDATA_BL,SBUF ;從串行數(shù)據(jù)緩沖器輸入低4位數(shù)據(jù)
CLRREN ;停止接收
SETBCS ;禁止ADCRET2.1.3 積分式ADC
大多用于低速、廉價(jià)的積分型A/D轉(zhuǎn)換器中,幾乎無(wú)一例外地采用了十進(jìn)制編碼方式,每次輸出一位并行十進(jìn)制編碼,整個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果分若干次輸出。這種低速、廉價(jià)但高精度、強(qiáng)抗干擾的集成A/D轉(zhuǎn)換器以其優(yōu)良的性能價(jià)格比被廣泛應(yīng)用于低速測(cè)量領(lǐng)域。1.MC144333位雙積分ADC
MC14433是具備零漂補(bǔ)償和采用CMOS工藝制造的3位單片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器,最大輸出數(shù)碼1999,具有功耗低、輸入阻抗高和自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。其轉(zhuǎn)換精度為土(0.05%Vi
+1LSB),輸入電阻大于100M,對(duì)應(yīng)時(shí)鐘頻率范圍為50~150kHz,轉(zhuǎn)換速度為每秒3~10次。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能如圖2-15所示。圖2-15MC14433ADC結(jié)構(gòu)框圖及管腳功能
MC14433采用土5V供電電源,只需一個(gè)正基準(zhǔn)電壓VR
,其與輸入電壓Vi成下列比例關(guān)系輸出讀數(shù)=
1999(2-1)當(dāng)滿量程時(shí)Vi=VR
。Vi輸入有2V和200mV兩個(gè)量程擋。當(dāng)滿度電壓為1.999V時(shí),VR取2.000V;當(dāng)滿度電壓為199.9mV時(shí),VR取200.0mV。當(dāng)然,也可根據(jù)需要在200mV~2V之間任意選擇VR的值,此時(shí),讀數(shù)的一個(gè)LSB所對(duì)應(yīng)的輸入電壓則需通過(guò)式2-1求得。
MC14433輸出時(shí)序
MC14433由內(nèi)部電路自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換,無(wú)需外加啟動(dòng)信號(hào),輸出數(shù)據(jù)通過(guò)Q3~Q0輸出端,逐位輸出BCD碼,并不斷重復(fù)。并通過(guò)DS1~DS4指明現(xiàn)行輸出BCD碼是十進(jìn)制位中的某一位(千位~個(gè)位)。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,在EOC端輸出一正脈沖,寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期。輸出數(shù)據(jù)更新需通過(guò)DV端的正跳變信號(hào)實(shí)現(xiàn),通常將EOC與其短接。其整個(gè)輸出時(shí)序如圖2-16所示。在千位輸出時(shí),攜帶輸出極性及超量程信息,如表2-4所示。圖2-16MC14433輸出時(shí)序MC14433千位編碼定義
表2-4MC14433千位編碼定義
2.MC14433ADC與8031/51接口
MC14433輸出不具有三態(tài)緩沖,故必須通過(guò)接口方可掛接于微機(jī)總線。對(duì)于8031/51單片機(jī)而言,最簡(jiǎn)接的方法是直接與其I/O端口相連。因MC14433為低速ADC,所以宜采用中斷方式接口。圖2-17給出了其與8031/51的接口電路。
圖2-17MC14433ADC與
8031/51的接口
圖2-18數(shù)據(jù)格式
MC14433ADC與8031/51接口
接口使用P1口,高4位輸入BCD碼,低4位輸入位選信號(hào)DS1~DS4。EOC的下跳沿觸發(fā)中斷。按MC14433的輸出時(shí)序和接口形式,控制程序如下所示??刂瞥绦蛴芍袛鄦?dòng),每次輸入一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換結(jié)果,并存入8031/51內(nèi)部RAM。存入數(shù)據(jù)格式如圖2-18所示。
2.1.4 并行或特高速ADC
在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,如圖像處理、頻譜分析等,雙積分式和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度都不能滿足要求。并行型A/D轉(zhuǎn)換器的速度高,它將輸入模擬電壓Vi與一系列標(biāo)準(zhǔn)電壓同時(shí)進(jìn)行比較,將比較的結(jié)果經(jīng)過(guò)編碼后得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)。并行或特高速ADC原理3位二進(jìn)制并行型A/D轉(zhuǎn)換器(圖2-19)由標(biāo)準(zhǔn)電壓源經(jīng)電阻分壓后得到m(m=2n-1)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓(n是轉(zhuǎn)換后得到二進(jìn)制位數(shù));
每一個(gè)分壓后的標(biāo)準(zhǔn)電壓與輸入模擬電壓Vi同時(shí)(并行)進(jìn)行比較,若輸入模擬電壓大于標(biāo)準(zhǔn)電壓,則相應(yīng)的比較器輸出為“真”(即為“1”),反之為“假”(即“0”);經(jīng)數(shù)字編碼后,輸出即為等效于輸入模擬量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。一個(gè)n位二進(jìn)制并行型A/D轉(zhuǎn)換器需要m(m=2n-1)個(gè)比較器。圖2-19并行型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖
幾點(diǎn)說(shuō)明:
①由圖可知,并行型A/D轉(zhuǎn)換器的精度取決于幾個(gè)因素:分壓電阻精度要高,主要是一致性要好;比較器的靈敏度要能鑒別兩個(gè)相鄰標(biāo)準(zhǔn)電壓;標(biāo)準(zhǔn)電壓源VR的精度也有一定的要求。②并行ADC的速度主要取決于比較器的響應(yīng)速度及數(shù)據(jù)寄存器(D觸發(fā)器)的響應(yīng)時(shí)間。③n位并行型ADC轉(zhuǎn)換器需要(2n-1)個(gè)比較
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