數(shù)字化醫(yī)療儀器課件

醫(yī)療儀器分類與管理1.醫(yī)療儀器的分類與發(fā)展動態(tài)

1.1.1醫(yī)療器械的定義國際標準化組織ISO的定義（一）為下列目的的用於人體的，不論是單獨使用還是組合使用的，包括使用所需軟體在內(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)護治療或緩解；（2）

損傷或殘疾的診斷監(jiān)護治療緩解或者補償；（3）

解剖或生理學(xué)過程的研究替代或者調(diào)節(jié)；（4）

妊娠控制。（二）其對於人體體表及體內(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並起一定輔助作用。

此定義闡明了醫(yī)療器械的使用對象、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。中國現(xiàn)行的醫(yī)療器械行政規(guī)章及技術(shù)標準均等同採用了此定義。ISO關(guān)於醫(yī)療器械定義的意義:我國醫(yī)療器械監(jiān)管條例(2000)的定義

單獨或者組合使用於人體的儀器、設(shè)備、器具、材料、或者其他物品，包括所需要的軟體，其用於人體體表及體內(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並起一定的輔助作用，其使用旨在達到下列預(yù)期目的：（1）對疾病的預(yù)防診斷治療監(jiān)護緩解；（2）對損傷或者殘疾的診斷治療監(jiān)護緩解補償；（3）對解剖或者生理過程的研究替代調(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)用範圍所做的分類；（3）根據(jù)產(chǎn)品價值等級所做的分類；（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)國家藥品監(jiān)督管理局發(fā)佈的醫(yī)療器械分類目錄

《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》分類管理：第一類是指通過常規(guī)管理足以保證其安全性有效性的醫(yī)療器械；第二類是指對其安全性有效性應(yīng)當加以控制的醫(yī)療器械；第三類是指植入人體用於支持維持生命，對人體具有潛在危險，對其安全性、有效性必須嚴格控制的醫(yī)療器械。醫(yī)療器械的產(chǎn)品分類及編碼

我國實行的醫(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)則和分類目錄並存。醫(yī)療器械分類規(guī)則用於指導(dǎo)醫(yī)療器械分類目錄的制定和確定新的產(chǎn)品註冊類別。

2002年8月28日，國家藥品監(jiān)督管理局組織制定了醫(yī)療器械分類目錄國藥監(jiān)械[2002]302號，共有49個一級類別和大於263個二級類別的產(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其他科手術(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)用鐳射儀器設(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)用射線防護用品裝置6839

醫(yī)用射線設(shè)備專用檢測儀器6840臨床檢驗分析儀器6841醫(yī)用化驗和基礎(chǔ)設(shè)備器具6845體外迴圈及血液處理設(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)用高分子材料及製品6867醫(yī)用橡膠製品6870軟件6877介入器材6899其他醫(yī)療器械行業(yè)監(jiān)管體系的發(fā)展及現(xiàn)狀

醫(yī)療器械市場準入制度的引入是在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，並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日召開的國務(wù)院第二十四次常務(wù)會議通過《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》，並於2000年1月4日以國務(wù)院令276號發(fā)佈，在4月1日正式實施。這標誌著我國的醫(yī)療器械監(jiān)督管理進入依法行政和依法監(jiān)督的新階段。

我國對醫(yī)療器械的分類

按照我國現(xiàn)行規(guī)定，境內(nèi)生產(chǎn)的醫(yī)療器械第一二類由省級藥品監(jiān)督管理部門負責審批。第三類醫(yī)療器械由國務(wù)院藥品監(jiān)督管理部門負責審批。其中，第一類產(chǎn)品可以直接獲得準產(chǎn)註冊；第二、三類產(chǎn)品需要經(jīng)過臨床試驗和準產(chǎn)註冊階段。部分醫(yī)療器械品種需要同時獲得生產(chǎn)許可證和註冊證書，才能進入市場流通。

境內(nèi)生產(chǎn)第三類產(chǎn)品註冊過程

生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品試製成功→產(chǎn)品標準編寫→進行標準審查→產(chǎn)品標準到當?shù)厮幤繁O(jiān)督管理部門和技術(shù)監(jiān)督部門備案→到國家藥品監(jiān)督管理局認可的相關(guān)檢測機構(gòu)進行產(chǎn)品註冊、型式檢測→到國家藥品監(jiān)督管理部門獲得臨床試驗準許進行臨床試驗→到國家藥品監(jiān)督管理機構(gòu)進行企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)標準復(fù)核→註冊資料的形式審查→召開專家評審會→獲得註冊證書關(guān)於進口醫(yī)療器械的監(jiān)督管理

入世後，在市場準入方面，進口醫(yī)療器械應(yīng)該和國產(chǎn)醫(yī)療器械享受同樣的國民待遇。目前，我國和歐美日等先進國家和地區(qū)在醫(yī)療器械的市場準入方面尚未實現(xiàn)互認。

《條例》實施後，新的醫(yī)療器械註冊管理辦法加強了對進口產(chǎn)品的監(jiān)督管理方面的要求，使我國對境內(nèi)外醫(yī)療器械的監(jiān)督管理得到提升，國內(nèi)企業(yè)的競爭力也得到一定的保障。醫(yī)療器械的發(fā)展動態(tài)

中國醫(yī)療器械行業(yè)在世界市場所占份額及發(fā)展歷程

中國有13億人口，31萬個醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)，醫(yī)療器械有廣闊的市場。中國是全球醫(yī)療器械十大新興市場之一，已成為除日本以外亞洲最大的市場。2001年，中國醫(yī)療器械市場容量達527億元，年均增長率15%。但是，中國醫(yī)療器械在世界市場中的份額依然很低，仍有很大增長空間。

2003年全球醫(yī)療器械工業(yè)銷售額已達到2044億美元。其發(fā)展水準代表了一個國家的綜合經(jīng)濟技術(shù)實力與水準。2000年，在全球醫(yī)療器械銷售額中，美國所占份額高達41%，歐盟占27%，日本占14%，中國僅占2%，但市場潛力很大。2003年，中國醫(yī)療器械市場容量達700億元以上，還有很大發(fā)展空間。21世紀，醫(yī)療器械的發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點：硬體性的醫(yī)療器械將更加智能化,需要更為成熟的資訊資料庫的支持;

更為智能化和簡易化的產(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)將使集成化的複合型趨勢將更加明顯;

技術(shù)發(fā)展將大大提高臨床診斷在時間上和空間上的精確性。

醫(yī)療器械發(fā)展趨勢預(yù)測

未來的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)存在四大趨勢，也是行業(yè)的增長熱點：

(一)電腦相關(guān)技術(shù)：電腦輔助診斷、智能器械、生物感測器械、機器人器械網(wǎng)路。相應(yīng)的新產(chǎn)品，如集成化病人醫(yī)學(xué)資訊系統(tǒng)、病人智能卡、臨床實驗室機器人、電腦輔助臨床實驗系統(tǒng)、生物感測器等。(二)家庭和自我保健器械：家庭自我監(jiān)護與診斷、家庭自我醫(yī)療與遠程醫(yī)療相應(yīng)產(chǎn)品。

(三)微創(chuàng)醫(yī)療器械：無創(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、鐳射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)等無創(chuàng)和低創(chuàng)的直視檢查，將深入到人體各個臟器和部位，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)細胞及心臟、神經(jīng)肌肉刺激器等。

1.2生物醫(yī)學(xué)測量的基礎(chǔ)知識

1.2.1生物醫(yī)學(xué)測量的範圍

生物醫(yī)學(xué)測量的對象是具有生命的生物體，其基本的對象是人體。人體是由生物分子、細胞、器官和功能系統(tǒng)等各層次組成的複雜系統(tǒng)。因此，生物醫(yī)學(xué)測量的範圍包括對生物體分子水準、細胞水準、器官水準和系統(tǒng)水準各層次的資訊的測量。

生物醫(yī)學(xué)測量屬於弱信號測量範疇，具有弱信號測量的共同特點，即要求測量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強、抑制雜訊和抗干擾能力好。這一特點在生物電、生物磁信號的測量中尤為突出。

部分生物電和生物磁信號幅度範圍見下表1.2.2生物醫(yī)學(xué)測量的基本特點

一.生物醫(yī)學(xué)測量基本屬於弱信號測量被測信號幅度範圍心電（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量級腦磁10-12T量級眼磁10-11T量級肺磁10-8T量級表:部分生物電和生物磁信號的幅度範圍

生物體是一個極其複雜的系統(tǒng)，如何從生物體中有效地提取被測信號，是生物醫(yī)學(xué)測量的重要問題。在生物醫(yī)學(xué)測量中，不僅要抑制儀器系統(tǒng)的雜訊，更重要的是要充分認識人體雜訊的性質(zhì)和特點，採取有效辦法（如濾波、相關(guān)或自適應(yīng)處理，改進信號耦合方法等），從人體雜訊中提取有用信號。二．生物體內(nèi)的雜訊對測量有重要影響三．資訊測量中容易引入外界環(huán)境的干擾

（1）環(huán)境電場、磁場和電磁場的干擾①電場干擾：最常見的電場干擾是工頻（50Hz）電場的干擾。②磁場干擾：變壓器、電動機和螢光燈的鎮(zhèn)流器周圍產(chǎn)生的交流磁場。③高頻電磁場干擾：空中的電磁波,通過測量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入。三．資訊測量中容易引入外界環(huán)境的干擾（2）外界刺激對測量的干擾外界刺激的干擾主要是通過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)，包括一個細胞、器官、功能系統(tǒng)乃至整體，它們的功能活動都在不停地變化著，調(diào)整著，以在內(nèi)外環(huán)境間保持動態(tài)平衡。此外，遺傳因素也造成生物體各種功能、狀態(tài)的個體差異。這些因素使被測量的生物醫(yī)學(xué)資訊往往具有多變性。四．生物醫(yī)學(xué)資訊的多變性

為了獲取生物體內(nèi)的資訊予以測量，生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)或儀器一般需通過感測器或電極與生物體聯(lián)接，這些感測器或電極，有些置於體表（皮膚外），有些需插入或植入機體內(nèi)部，因此產(chǎn)生了測量系統(tǒng)對生物體的電安全性、機械安全性和化學(xué)安全性等問題五．生物醫(yī)學(xué)測量的安全要求

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)測量儀器的主要技術(shù)指標

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頻率的關(guān)係。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過規(guī)定值（如3dB）的輸入信號頻率範圍稱為回應(yīng)頻率，又稱為通頻帶。部分常見生理信號的頻率範圍可參考表1-3。生理信號頻率範圍（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部分常見生理信號的頻率範圍

精密度精密度簡稱精度，用相同條件下重複測量間的最大偏差與儀器滿量程之比表示，即

Ai、Aj分別為任意兩次測量的結(jié)果值，Ｈ為儀器的最大測量範圍

準確度

準確度用儀器的實際測量結(jié)果值同真值（理想值）間的最大偏差與儀器滿量程之比來表示，即

Ea為儀器的測量準確度，

Amax為實測值與真值間的最大偏差，H為儀器的滿量程

非線性度

非線性度用實測值和與相應(yīng)輸入量成正比關(guān)係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)的實測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間或外部環(huán)境變化而變化的程度，主要包括零點漂移、溫度漂移和靈敏度溫漂等指標。①零點漂移：用無輸入信號和恒定環(huán)境條件下的儀器輸出量在一定時間內(nèi)的最大變化與滿量程之比來表示，即

Dz為零點漂移，

Azmax為指定時間內(nèi)在輸入量為零時輸出量的最大變化，H為儀器的滿量程

②溫度漂移：用無輸入信號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表示，即

DT為溫度漂移，

AT為環(huán)境溫度變化

T時引起的儀器輸出量變化

③靈敏度溫漂：用一定環(huán)境溫度變化範圍內(nèi)儀器靈敏度的最大相對變化量來表示，即

Ds為靈敏度溫漂，

Smax為一定溫度變化範圍內(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資訊變化的能力。按被測資訊的性質(zhì)和儀器用途的不同，儀器分辨力分為幅度解析度、頻率解析度、時間解析度和空間分辨力等指標。幅度解析度一般用儀器最小可分辨的輸出信號幅度或大小與儀器滿量程之比來表示，即R為幅度解析度，又稱為解析度，Amin為儀器最小可分辨的輸出信號幅值或大小，H為儀器的滿量程。R愈小，儀器的幅度解析度愈高

輸入阻抗和輸出阻抗輸入阻抗：指從一測量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸入端測得的系統(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)輸入端測得的輸入電壓和輸入電流

輸出阻抗：指從一測量系統(tǒng)或線路環(huán)節(jié)的輸出端測得的系統(tǒng)自身的阻抗，即

Zo為系統(tǒng)的輸出阻抗，Zh為輸出端接入的負載阻抗，Vo和Vh分別為系統(tǒng)輸出端開路和接入負載阻抗Zh時的輸出電壓

漏電流

生物醫(yī)學(xué)儀器對人體電擊危險的主要來源，有三種：接地漏電流：儀器接地導(dǎo)線流入大地的電流。機殼漏電流：儀器外殼經(jīng)外部導(dǎo)體流入大地，或流向系統(tǒng)其他部分的電流?；颊呗╇娏鳎航?jīng)聯(lián)接患者身體的導(dǎo)線或被測患者身體流入大地的電流。

生物醫(yī)學(xué)測量儀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)位化醫(yī)儀組成特點與設(shè)計方法

1.3.1數(shù)位化儀器的組成及特點

微電子學(xué)和電腦等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的衝擊和革命性的影響。隨著微處理器在體積小、功能強、價格低等方面的進展，電子測量儀器和電腦技術(shù)結(jié)合愈加緊密，形成一種全新的以微機數(shù)位化處理為特徵的儀器，即“數(shù)位化儀器”或稱“智能儀器”。一．數(shù)位化儀器的典型結(jié)構(gòu)

數(shù)位化儀器核心是專用的微機系統(tǒng)，由硬體和軟體兩大部分組成。

硬體部分:包括主機電路、模擬量I／0通道、人機聯(lián)繫部件與介面電路、標準通信介面等（見下頁圖）。

主機電路用於存儲程式、數(shù)據(jù)，進行運算和處理，通常由微處理器、程式記憶體、I／0介面電路等組成。

數(shù)位化儀器通用結(jié)構(gòu)框圖

模擬量輸入輸出通道用來輸入輸出模擬量信號，主要由A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器和有關(guān)的模擬信號處理電路等組成。

人機聯(lián)繫部件主要由儀器面板中的鍵盤和顯示器等組成。

標準通信介面電路用於實現(xiàn)儀器與電腦的聯(lián)繫，數(shù)位化儀器一般都配有並行或串行等標準通信介面。軟體部分:包括監(jiān)控程序和介面管理程式兩部分。

監(jiān)控程序面向儀器面板鍵盤和顯示器，包括：通過鍵盤操作輸入並存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)；通過控制I／O介面電路進行數(shù)據(jù)採集，對儀器進行預(yù)定的設(shè)置；對數(shù)據(jù)記憶體所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行各種處理；以數(shù)字、字元、圖形等形式顯示各種狀態(tài)資訊以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

介面管理程式主要面向通信介面，其內(nèi)容是接受並分析來自通信介面匯流排的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程式控制操作碼，並通過通信介面輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，以回應(yīng)電腦的遠控命令。二．數(shù)位化儀器的主要特點

(1)數(shù)位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)來實施對儀器的控制，從而使儀器面板的佈置和儀器內(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算和邏輯判斷功能，按照一定的演算法可以方便地消除由於漂移、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量精度。

(3)數(shù)位化儀器運用微處理器的控制功能，可以方便地實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、觸發(fā)電平自動調(diào)整、自動校準、自診斷等功能，有力地改善了儀器的自動化測量水準。

(4)數(shù)位化儀器具有友好的有人—機對話的能力，使用人員只需通過鍵盤打人命令，儀器就能實現(xiàn)某種測量和處理功能，與此同時，智能儀器還通過顯示幕將儀器運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴使用人員，使人一機之間的聯(lián)繫非常密切。

(5)數(shù)位化儀器一般都配有GP—IB或RS一232等介面，使數(shù)位化儀器具有可程式控制操作的能力。從而可阻很方便地與電腦和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更複雜的測試任務(wù)。

數(shù)位化儀器是以微處理器為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計者熟悉電子儀器的工作原理，而且還要求掌握微型電腦硬體和軟體的原理。因而其設(shè)計不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計方法和手段。

1.3.2數(shù)位化儀器的設(shè)計要點一.設(shè)計、研製數(shù)位化儀器的一般過程

確定設(shè)計任務(wù)擬制總體設(shè)計方案，選擇微處理器晶片確定儀器工作總框圖硬體電路和軟體的設(shè)計與調(diào)試整機聯(lián)調(diào)二.微處理器的選擇

微處理器是整個儀器的核心部件，它直接影響整機的硬體和軟體設(shè)計，並對數(shù)字化儀器的功能、性能價格比以及研製週期起決定性的作用。因此在設(shè)計任務(wù)確定之後，首先應(yīng)對微處理器進行選擇。

70年代以來，在新技術(shù)革命的推動下，尤其是微電子技術(shù)和微型電腦技術(shù)的快速進步，使電子儀器的整體水準發(fā)生很大變化，先後出現(xiàn)獨立式數(shù)位化儀器、GP—IB自動測試系統(tǒng)、插卡式數(shù)位化儀器(個人儀器)，在此基礎(chǔ)上，1987年又問世了一種被稱為21世紀儀器的VXI匯流排儀器系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)集中了數(shù)位化儀器、GP一IB匯流排、個人儀器的很多特長，是一種全世界範圍內(nèi)完全開放的，適用多供貨廠商的模組匯流排儀器系統(tǒng)，已被公認為當前儀器發(fā)展的世界潮流。

1.3.3數(shù)位化儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展一.獨立式數(shù)位化儀器及自動測試系統(tǒng)

獨立式數(shù)位化儀器(簡稱數(shù)位化儀器)即前述的自身帶有微處理器能獨立進行測試的電子儀器，數(shù)位化儀器是現(xiàn)階段智能化電子儀器的主體。

自動測試系統(tǒng)具有極強的通用性和多功能性，對於不同的測試任務(wù)，只需增減或更換“掛”在它上面的儀器設(shè)備，編制相應(yīng)的測試軟體，而系統(tǒng)本身不變。

典型自動測試系統(tǒng)

二.個人PC儀器系統(tǒng)及VXI匯流排儀器系統(tǒng)

個人PC儀器是在數(shù)位化儀器的基礎(chǔ)上，伴隨著個人電腦(PC)登上電子測量的舞臺而創(chuàng)造出的一種嶄新的儀器品種，它是將原數(shù)位化儀器中的測量部分配以相應(yīng)的介面電路製成各種儀器卡，插入到PC的匯流排插槽或擴展箱內(nèi)，而原數(shù)位化儀器所需的鍵盤、顯示器以及記憶體等均借助於PC機的資源，就構(gòu)成了個人PC儀器(又稱PC儀器或儀器卡)。

VXI匯流排是一個開放式結(jié)構(gòu)，它對所有儀器生產(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箱中工作，從而使VXI匯流排很快就成為測試系統(tǒng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

VXI匯流排是面向模組式結(jié)構(gòu)的儀器的匯流排，與GP-IB匯流排相比較其性能有了較大幅度提高。下圖顯示出典型的VXI匯流排儀器的構(gòu)成形式。典型VXI匯流排儀器系統(tǒng)圖三.軟體技術(shù)的高速發(fā)展及虛擬儀器

在新一代的儀器系統(tǒng)中，電腦軟體和測試儀器更加緊密地結(jié)合在一起，為了使儀器系統(tǒng)的硬體設(shè)備儘量少，傳統(tǒng)儀器的許多硬體乃至整個儀器都被電腦軟體代替，例如只使用一塊A／D卡，借助於電腦的計算功能，在軟體的配合下就可能實現(xiàn)多種儀器的功能，如數(shù)字多用表，數(shù)字存儲示波器，數(shù)字頻譜分析，數(shù)字採集系統(tǒng)，數(shù)字頻率計等。在新一代儀器系統(tǒng)中，電腦處於核心地位。以電腦為核心的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。與電腦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)採集板。以電腦為核心的儀器系統(tǒng)圖1.3.4我國醫(yī)學(xué)計量與醫(yī)療器械監(jiān)督管理概況一、計量的法制、法規(guī)與管理1、計量法律、法規(guī)概述

計量的概念是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展逐步形成的。當生產(chǎn)和商品交換變成社會性活動時，客觀上就需要測量的統(tǒng)一，即要求在一定準確度內(nèi)對同一物體在不同地點，用不同的測量手段，達到測量結(jié)果的一致。為此，就要求以法定的形式建立統(tǒng)一的計量單位制。建立計量基準、計量標準，並以這種計量基準、計量標準檢定其他計量器具，以保證量值的準確可靠，從而形成區(qū)別子測量的新概念——計量。醫(yī)學(xué)計量監(jiān)督管理《中華人民共和國計量法》（簡稱《計量法》）是計量單位制的統(tǒng)一，建立的法律制度使計量具有權(quán)威性和強制力。它作為國家管理計量工作的根本法，是實施計量法制監(jiān)督的最高準則。其基本內(nèi)容是：計量立法宗旨、調(diào)整範圍、計量單位制、計量器具管理、計量監(jiān)督、計量授權(quán)、計量認證、計量糾紛的處理和計量法律責任等。2、計量器具的管理（1）計量器具的定義：單獨地或連同輔助設(shè)備一起用以進行測量的器具。它指能用以直接或間接測出被測對象量值的裝置、儀器儀錶、量具和用於統(tǒng)一量值的標準物質(zhì)等，包括計量基準、計量標準和工作計量器具。計量器具廣泛用於生產(chǎn)、科研、商貿(mào)領(lǐng)域和人民生活的各個方面，有極其廣闊的社會性，在整個計量立法中處於相當重要的地位。所謂全國量值的統(tǒng)一，首先表現(xiàn)在計量器具的準確一致上。按照計量學(xué)用途分類，計量器具可分為：醫(yī)學(xué)計量監(jiān)督管理1）計量基準器具：即國家計量基準，簡稱計量基準，是指經(jīng)國家決定承認的測量標準。所有計量器具進行的一切測量均可追溯到國家基準所複現(xiàn)或像存的計量單位量值。2）計量標準器具：簡稱計量標準，是指準確度低於計量基準的，用於檢定其他計量標準或工作計量器具的計量器具。它處於中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用確保全國測量活動達到統(tǒng)一。3）工作計量器具：不是用於檢定而是直接用於確定被測對象量值的計量器具。醫(yī)學(xué)計量監(jiān)督管理（2）計量器具的管理

計量器具是保障生產(chǎn)、科研以及社會經(jīng)濟生活正常秩序的比不可少的技術(shù)工具。對計量器具依法實施監(jiān)督管理，一般分為：製造、修理、進口、銷售和使用5個方面，是政府計量行政部門的一項重要任務(wù)。3、計量鑒定管理（1）計量檢定概述：計量檢定是指查明和確認計量器具是否符合法定要求的程式，它包括檢查、加標記和（或）出具檢定證書。1）計量檢定具有以下特點

①計量檢定的對象是計量器具（合標準物質(zhì)），不是一般的工業(yè)產(chǎn)品。②計量檢定的主要作用，在於評定計量器具的計量特性，確定其示值誤差大小以及安全性，確保全國量值的溯源性。③檢定的結(jié)論是確定被檢計量器具是否合格。④檢定具有監(jiān)督管理的性質(zhì)，是計量技術(shù)活動中不可缺少的環(huán)節(jié)。如法定計量檢定機構(gòu)所進行的檢定，屬於國家對計量器具的一種技術(shù)監(jiān)督，出具的檢定證書作為證明檔在社會上具有特定的效力。計量鑒定管理2）我國計量檢定的體制我國計量檢定體制與計量監(jiān)督管理體制是截然不同的。按照《計量法》第4條規(guī)定，我國的計量監(jiān)督管理是按行政區(qū)劃分實施的，而計量檢定則是打破行政區(qū)劃分和部門的界限，按照經(jīng)濟合理的原則就地就近進行的。所謂“就地就近”，是指開展計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量標準，其各項最高標準經(jīng)有關(guān)的政府計量行政部門主持考核合格後使用。計量鑒定管理（2）計量強制檢定：計量強制檢定是指由縣級以上人民政府計量行政部門指定的法定計量檢定機構(gòu)或授權(quán)的計量檢定機構(gòu)，對社會公用計量標準，部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計量標準，以及對列入強制檢定目錄的工作計量器具實行的定期檢定。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，沒有選擇的餘地，必須按照規(guī)定去辦。強制檢定非強制檢定管理政府計量部門直接管理使用單位依法自行管理送檢管道一般是固定的

使用單位可以自由送檢，自求溯源檢定週期由執(zhí)行強檢的技術(shù)機構(gòu)確定

使用單位可在計量檢定規(guī)程允許的範圍內(nèi)自行規(guī)定。如果單位不能檢定，應(yīng)送到有權(quán)開展量值傳遞的其他計量技術(shù)機構(gòu)進行定期檢定範圍

社會公用計量標準器具，部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計量標準器具；以及用以貿(mào)易結(jié)算、安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測方面的列入強制檢定目錄的工作計量器具

除了強檢以外的其他計量標準和工作計量器具4、醫(yī)療器械的監(jiān)督

縣級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)督員對本行政區(qū)域內(nèi)的醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)營企業(yè)和醫(yī)療機構(gòu)進行監(jiān)督、檢查；必要時，可以按照國務(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)督員對所取得的樣品資料負有保密義務(wù)；國家對醫(yī)療器械檢測機構(gòu)實行資格認可制度。經(jīng)國務(wù)院藥品監(jiān)督管理部門會同國務(wù)院品質(zhì)技術(shù)監(jiān)督部門認可的檢測機構(gòu)，方可對醫(yī)療器械實施檢測；醫(yī)療器械的監(jiān)督對已經(jīng)造成醫(yī)療器械品質(zhì)事故或者可能造成醫(yī)療器械品質(zhì)事故的產(chǎn)品及有關(guān)資料，縣級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；對不能保證安全、有效的醫(yī)療器械，由省級以上人民政府藥品監(jiān)督管理部門撤銷其產(chǎn)品註冊證書。被撤銷產(chǎn)品註冊證書的醫(yī)療器械不得生產(chǎn)、銷售和使用，已經(jīng)生產(chǎn)或者進口的，由縣級以上地方人民政府藥品監(jiān)督管理部門負責監(jiān)督處理

數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)信號數(shù)位化的基礎(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，採用各種感測器將其變成電信號，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(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），變成適合於微處理機使用的數(shù)字量供系統(tǒng)處理。同樣，微處理器處理後的數(shù)據(jù)往往又需要使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）及適應(yīng)的介面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)換器及其介面統(tǒng)稱為模擬量輸入通道；D/A轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)介面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採樣、量化和編碼三個步驟。1．

採樣

待採樣的模擬信號是連續(xù)的，可看成無限多個暫態(tài)值組成，而A/D轉(zhuǎn)換以及電腦處理需要一定的時間，不可能把每一個暫態(tài)值都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。必須在連續(xù)變化的模擬量上按週期取樣的規(guī)律取出某一些暫態(tài)值來代表這個模擬量，這個過程就是採樣。採樣是通過採樣保持電路實現(xiàn)的，採樣器（電子模擬開關(guān)）在控制脈衝s(t)的控制下，週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)。

僅在採樣瞬間τ允許輸入信號f(t)通過採樣器，其他時間斷開。採樣器的輸出fS(t)是一串窄脈衝，脈衝的包絡(luò)線是與輸入信號相同的。圖2-2採樣器輸入輸出波形

輸出信號能否如實反映原始輸入信號？

採樣得的信號fs(t)的值和原始輸入信號f(t)在相應(yīng)的暫態(tài)值相同，因此採樣後的信號在量值上仍然是連續(xù)的。可以證明：當採樣器的採樣頻率fs高於或至少等於輸入信號最高頻率fm的兩倍時（即fs≥2fm時），採樣輸出信號fs(t)（採樣器脈衝序列）能代表或恢復(fù)成輸入模擬信號f(t)，這就是採樣定理。

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)頻譜分析後得到的最高頻率分量。“恢復(fù)”指的是樣品序列fS(t)通過截止頻率為fm的理想低通濾波器後，能得到的原始信號f(t)。在應(yīng)用中，一般取採樣頻率fs為最高頻率fm

的4～8倍。簡單模擬信號的頻譜範圍是已知的，如溫度低於1Hz，聲音為20Hz～20000Hz。複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。量化相當於只取近似整數(shù)商的除法運算。量化單位用q表示，對於模擬量小於一個q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常為了減少誤差採用“四捨五入”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，可採用補數(shù)方式。

二．A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

1．解析度A/D轉(zhuǎn)換器的解析度:轉(zhuǎn)換器能分辨最小的量化信號的能力。解析度取決於A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習慣上以輸出二進位數(shù)的位數(shù)來表示。如ADC0809轉(zhuǎn)換器的解析度為8位，表示可以用28個二進位數(shù)對輸入模擬量進行量化，其解析度為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滿度值校準以後，任一數(shù)字輸出所對應(yīng)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.滿刻度範圍

滿刻度範圍:指A/D所允許輸入電壓範圍。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、積分式、並行式等三類。

逐次逼近式:轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換精度比較適中，轉(zhuǎn)換時間一般在1～100

s之間，轉(zhuǎn)換精度一般在0.1%上下，適用於一般場合。

積分式:轉(zhuǎn)換時間一般在ms級。適用於要求精度高，但轉(zhuǎn)換速度較慢的儀器中使用。

並行式:採用並行比較，轉(zhuǎn)換速率可以很高，其轉(zhuǎn)換時間可達ns級，可用於醫(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、輸出緩衝器等五部分組成。工作原理：啟動信號作用後，時鐘信號先通過邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1，以下各位為0，這個二進位代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U0（此時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位比較完畢後，再對下一位即DN-2位進行比較，控制電路使寄存器DN-2為1，其以下各位仍為0，然後再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換後再次送到比較器與UX相比較。如此一位一位地比較下去，直至最後一位D0比較完畢為止。最後，發(fā)出EOC信號表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣經(jīng)過N次比較後，N位寄存器保留的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換後的數(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)換器實際轉(zhuǎn)換過程已不重要

目前，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器大都做成單片積體電路的形式，使用時只需發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，然後在EOC端查知A/D轉(zhuǎn)換過程結(jié)束後，取出數(shù)據(jù)即可。這類晶片有ADC0809、ADC1210、ADC7574、AD574、TLC549、MAX1241等是應(yīng)用得最多的A/D轉(zhuǎn)換器類型。ADC0809晶片及其介面

ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它能分時地對8路模擬量信號進行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果為8位二進位數(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:一個逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；第三部分是:三態(tài)輸出緩衝鎖存器。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路輸入模擬量信號分別接到IN0到IN7端，究竟選通哪一路去進行A/D轉(zhuǎn)換由地址鎖存器與解碼器電路控制，見右表所示。

A，B，C為輸入地址選擇線，地址資訊由ALE的上升沿打入地址鎖存器。ALECBA接通信號111111110000001010011100101110111

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通表2-1ADC0809真值表

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

START為啟動信號，要求輸入正脈衝信號，在上升沿複位內(nèi)部逐次逼近寄存器，在下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束標誌位，“0”表示正在轉(zhuǎn)換，“1”表示一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。CLOCK為外部時鐘輸入信號，時鐘頻率決定了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）個時鐘週期，當時鐘頻率取640KHz時，轉(zhuǎn)換一次約需100

s時間，這是ADC0809所能允許的最短轉(zhuǎn)換時間。三態(tài)輸出緩衝鎖存器

A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是由EOC信號打入三態(tài)輸出緩衝鎖存器。

OE為輸出允許信號，當向OE端輸入一個高電平時，三態(tài)門電路被選通，這時便可讀取結(jié)果。否則緩衝鎖存器輸出為高阻態(tài)。ADC0809的時序圖

ADC0809的時序圖如圖2-6所示。啟動ADC0809後，EOC約在10

s後才變?yōu)榈碗娖剑蚨谟肧TART啟動0809轉(zhuǎn)換器後，不能立即通過檢測EOC來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，而應(yīng)等待約10

s再檢測，否則會出現(xiàn)錯誤結(jié)果。圖2-6ADC0809時序圖

ADC0809與單片機8031介面電路

ADC0809輸出帶有三態(tài)輸出緩衝鎖存器，因而不加I/O介面晶片，可以直接接到微機系統(tǒng)的匯流排上。

ADC0809的時鐘信號（CLOCK）由8031的ALE端的輸出脈衝（其頻率為8031時鐘頻率的1/6）經(jīng)二分頻得到，8031由地址線P2.0和讀寫控制線啟動ADC0809的START、地址鎖存ALE和輸出允許OE信號。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC反相後連至8031的INT1（P3.3）。模擬輸入通道地址的解碼輸入信號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8031介面電路A/D轉(zhuǎn)換常用的軟體控制方式

常用的控制方式主要有：程式查詢方式、延時等待方式和中斷方式。1．程式查詢方式 微處理器向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動信號後，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，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“查詢”消耗時間，效率低，但比較簡單，可靠性高。實際應(yīng)用還是比較普遍的。A/D轉(zhuǎn)換常用的軟體控制方式2．延時等待方式 啟動A/D後，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（如ADC0809為100

s）軟體延時等待，延時結(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A/D轉(zhuǎn)換後可轉(zhuǎn)去處理其他事情，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束便向微處理器發(fā)出中斷申請信號，微處理器回應(yīng)中斷後再來讀入數(shù)據(jù)。微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器並行工作，提高了工作效率。ADC0809與單片機8031介面實例

以下圖示的ADC0809與單片機8031介面電路，給出查詢、延時和中斷這三種方式下的轉(zhuǎn)換程式。轉(zhuǎn)換程式是將由IN0端輸入的0～5V模擬信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量00H～FFH，然後再存入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IN0轉(zhuǎn)換

MOV R2,#20HDLY:DJNZR2,DLY;延時,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. 延時等待方式

MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#00H;賦通道0地址

MOVX@DPTR,A;啟動IN0轉(zhuǎn)換

MOV R2,#40HWAIT:DJNZ R2,DLY;延時約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A/D轉(zhuǎn)換

；執(zhí)行其他任務(wù)中斷服務(wù)程式INT1: PUSH DPL；保護現(xiàn)場

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；啟動下一次轉(zhuǎn)換

POP A POP DPH POP DPL；返回現(xiàn)場

RETI；返回AD574晶片及其介面

AD574是12位快速逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換時間為25

s，轉(zhuǎn)換誤差為

1LSB。AD574具有下述幾個基本特點：片內(nèi)含有電壓基準和時鐘電路等，因而週邊電路較少；數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩衝器，因而可直接與微處理器介面；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，輸入電壓範圍為0~10V或0~20V，接成雙極性方式時，輸入電壓範圍為-5V~5V,-10V~10V。圖2-8AD574原理與引腳圖

AD574原理與主要引腳信號定義

CS：片選信號，低電平有效。CE：片使能信號，高電平有效。R/C：讀/啟動信號，高時讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，低時啟動A/D轉(zhuǎn)換。12/8：輸出數(shù)據(jù)長度控制信號，高為12位，低為8位。STS：工作狀態(tài)信號，高為正在轉(zhuǎn)換，低為轉(zhuǎn)換結(jié)束。A0：有兩種含義：當R/C為低時，A0為高，啟動8位A/D轉(zhuǎn)換；A0為低，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換。當R/C為高時，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個信號的組合所對應(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，高表示正在轉(zhuǎn)換，低表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。REFIN：基準輸出線。BIPOFF：單極性補償。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單片機的介面電路

根據(jù)AD574各引腳的功能，8031單片機與AD574的介面電路可按如圖2-9所示電路來安排。由於8031的高8位地址P2.0~P2.7沒有使用，故可採用寄存器間接尋址方式。其中啟動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單片機的介面電路AD574與8031單片機的介面電路

圖中STS可有三種接法以對應(yīng)三種控制方式：(1)如STS空著，單片機只能採取延時等待方式，在啟動轉(zhuǎn)換後，延時25

s以上時間，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；(2)如STS接單片機一條端口線，單片機就可以用查詢的方法等待STS為低後再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；(3)如STS接單片機外部中斷線，就可以在引起單片機中斷後，再讀入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。採用延時等待方式的控制程式清單：MOV R0，#1FH ；啟動MOVX @R0，AMOV R7，#10H ；延時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輸入電壓範圍為0V～＋10V，1LSB對應(yīng)的模擬電壓為2.44mV；20VIN輸入電壓範圍為0V～20V，1LSB對應(yīng)的模擬電壓為4.88mV。R1用於零點調(diào)整，R2用於滿刻度校準。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，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，數(shù)字量從111111111110變到111111111111。雙極性模擬輸入方式的調(diào)整

對於雙極性模入方式，把REFIN，REFOUT，和BIPOFF三個引腳的接線按圖2-10重新安排，雙極性模入方式零點與滿刻度校準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)字量之間的對應(yīng)關(guān)係為：

10VIN端輸入時：－5V→0V→十5V對應(yīng)000H→800H→FFFH20VIN端輸入時：一10V→0V→十10V對應(yīng)000H→800H→FFFH圖2-10AD574雙極性模擬輸入接線方式

MAX1241晶片及其介面

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；介面所需的I／O位數(shù)也比較少。有利於提高儀器的集成度和減小體積，能方便、廉價地實現(xiàn)需要進行模擬與數(shù)字隔離的場合。串行輸出的A／D轉(zhuǎn)換器雖有多種型號，介面時序也有所不同。但介面的實現(xiàn)和控制方法還是基本相同的。現(xiàn)以MAX1241為例來說明串行輸出ADC介面技術(shù)。MAX1241串行輸出單片ADC簡介

MAX1241是一種低功耗、低電壓的12位逐次逼近型ADC，最大非線性誤差小於1LSB，轉(zhuǎn)換時間9

s。採用三線式串行介面，內(nèi)置快速採樣／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簡介MAX1241採用8引腳DIP或SO形式封裝，完善的內(nèi)部電路幾乎不需要週邊器件即能工作。內(nèi)置採樣/保持電路在A／D轉(zhuǎn)換開始時，自動捕捉信號，最大捕捉時間1.5

s。

12位逐次逼近型ADC的並行輸出經(jīng)輸出移位寄存器變換為串行輸出，整個工作過程受控於三線串行介面。

表2-3MAX1241管腳功能

MAX1241採用單電源供電，動態(tài)功耗在以每秒73K轉(zhuǎn)換速率工作時，僅需0．9mA電流。在停止轉(zhuǎn)換時，可通過控制端使其處於休眠狀態(tài)，以降低靜態(tài)功耗。休眠方式下，電源電流僅1

A。MAXI241的工作時序

MAXI241的工作時序（圖2-12）：每次轉(zhuǎn)換由晶片選通信號的下降沿觸發(fā)，但此時驅(qū)動時鐘SCLK必須為低。

A／D轉(zhuǎn)換啟動後，內(nèi)部控制邏輯切換採樣／保持電路為保持狀態(tài)，並使輸出數(shù)據(jù)線DOUT變低。在整個轉(zhuǎn)換期內(nèi),SCLK應(yīng)保持低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束時DOUT由低變高。一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，內(nèi)部控制邏輯將自動把採樣／保持器切換為捕捉狀態(tài)。圖2-12MAX1241工作時序

MAXI241的工作時序

對MAX1241轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸入在轉(zhuǎn)換結(jié)束後進行，由驅(qū)動時鐘SCLK的下降沿觸發(fā)一位數(shù)據(jù)輸出。在下一個SCLK脈衝下降沿到來前，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SCLK脈衝下降沿輸出一位。第12個SCLK的下降沿輸出最低位。在數(shù)據(jù)輸出週期內(nèi)，必須保持低電平，若在第13個SCLK下降沿後，仍保持低電平，DOUT則一直保持為低電平。

2．MAX1241與8031／51的介面

MAX1241與微機介面的實現(xiàn)有二種選擇，一是使用普通端口，利用程式實現(xiàn)串行輸入。另一種則是直接使用串行介面。前者輸入速度低，後者需佔用串行通信口。（l）MAX1241與8031/51的通用I／O方式介面：

MAX1241與8031/51的通用I／O介面如圖2-13所示。介面使用三位通用I／O端口P1.0～P1.2。其中P1.0用於片選信號，P1.1產(chǎn)生驅(qū)動脈衝SCLK，P1.2為數(shù)據(jù)輸入。

控制程式如下：控制副程式完成一次A/D轉(zhuǎn)換和輸入，輸入數(shù)據(jù)存放於R0，R1寄存器。；寄存器及端口定義：CS：

BIT P1.0 ；片選信號位DOUT：

BIT P1.2 ；串行數(shù)據(jù)輸入位SCLK：

BIT P1.1 ；驅(qū)動時鐘位DATA_BH：

EQU R0 ；高位元組數(shù)據(jù)存儲單元DATA_BL：

EQU R1 ；低位元組數(shù)據(jù)存儲單元CONT_H：

EQU R0 ；高位取數(shù)計數(shù)器CONT_L：

EQU R1 ；低8位取數(shù)計數(shù)器

；控制副程式SADC_R：

XRL A，A ；清AMOV CONT_H，＃04H；高8位計數(shù)

MOV CONT_L，＃08H；低8位計數(shù)

CLRSCLK ；SCLK置“0” CLRCS ；選中1241，啟動轉(zhuǎn)換SADCEND：JNB DOUT，SADC_END；檢測A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束READ_H：

SETB SCLK CLR SCLK ；產(chǎn)生一個驅(qū)動時鐘

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)生一個驅(qū)動時鐘

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 ；撤銷片選

RET（2）MAX1241與8031／51串行介面

當使用8031／51串行口實現(xiàn)與MAX1241聯(lián)接時，串行口應(yīng)工作於同步移位寄存器方式（方式0）。此時，串行口的接受數(shù)據(jù)端RXD（P3.0）被用於接受MAX1241的輸出數(shù)據(jù)。而發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD（P3.1）則被用於提供驅(qū)動時鐘，為滿足時序要求；應(yīng)將其反相。片選信號仍使用P1.0。介面電路如圖2-14所示。8031/51串行介面控制程式

由於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。同前述程式直接輸入一樣，控制程式必須檢測A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，即DOUT的上跳變，只要當DOUT變?yōu)楦唠娖结幔侥軉哟薪邮?。介面控制程式如下所?MAX1241ADC串行介面控制副程式；寄存器及端口定義CS：

BITP1.0EOC：

BITP3.0DATA_BH：EQUR0 ；接受數(shù)據(jù)高位存儲寄存器DATA_BL：

EQUR1 ；接受數(shù)據(jù)低位存儲寄存器

；串行口設(shè)置副程式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；介面控制副程式SAD_SR：

CLRCS ；啟動

A／D轉(zhuǎn)換AD_NEND：

JNBEOC，AD_NEND ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

SETB REN ；啟動串行接收FR_NEND：

JNBRI，F(xiàn)R_NEND ；等待接收結(jié)束

MOVDATA_BH，SBUF ；從串行數(shù)據(jù)緩衝器輸入高8位數(shù)據(jù)

CLRRI ；啟動第二次接收SR_NEND：

JNBRI，SR_NEND ；等待接收結(jié)束

MOVDATA_BL，SBUF ；從串行數(shù)據(jù)緩衝器輸入低4位數(shù)據(jù)

CLRREN ；停止接收

SETBCS ；禁止ADCRET2．1．3 積分式ADC

大多用於低速、廉價的積分型A／D轉(zhuǎn)換器中，幾乎無一例外地採用了十進位編碼方式，每次輸出一位並行十進位編碼，整個轉(zhuǎn)換結(jié)果分若干次輸出。這種低速、廉價但高精度、強抗干擾的集成A/D轉(zhuǎn)換器以其優(yōu)良的性能價格比被廣泛應(yīng)用於低速測量領(lǐng)域。1．MC144333位雙積分ADC

MC14433是具備零漂補償和採用CMOS工藝製造的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、輸入阻抗高和自動調(diào)零、自動極性轉(zhuǎn)換功能。其轉(zhuǎn)換精度為土（0．05％Vi

＋1LSB），輸入電阻大於100M,對應(yīng)時鐘頻率範圍為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採用土5V供電電源，只需一個正基準電壓VR

，其與輸入電壓Vi成下列比例關(guān)係輸出讀數(shù)=

1999（2-1）當滿量程時Vi=VR

。Vi輸入有2V和200mV兩個量程擋。當滿度電壓為1．999V時，VR取2．000V；當滿度電壓為199．9mV時，VR取200．0mV。當然，也可根據(jù)需要在200mV～2V之間任意選擇VR的值，此時，讀數(shù)的一個LSB所對應(yīng)的輸入電壓則需通過式2-1求得。

MC14433輸出時序

MC14433由內(nèi)部電路自動控制轉(zhuǎn)換,無需外加啟動信號，輸出數(shù)據(jù)通過Q3～Q0輸出端，逐位輸出BCD碼，並不斷重複。並通過DS1～DS4指明現(xiàn)行輸出BCD碼是十進位位中的某一位(千位~個位）。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，在EOC端輸出一正脈衝，寬度為一個時鐘週期。輸出數(shù)據(jù)更新需通過DV端的正跳變信號實現(xiàn)，通常將EOC與其短接。其整個輸出時序如圖2-16所示。在千位輸出時，攜帶輸出極性及超量程資訊，如表2-4所示。圖2-16MC14433輸出時序MC14433千位編碼定義

表2-4MC14433千位編碼定義

2．MC14433ADC與8031／51介面

MC14433輸出不具有三態(tài)緩衝，故必須通過介面方可掛接於微機匯流排。對於8031／51單片機而言，最簡接的方法是直接與其I/O端口相連。因MC14433為低速ADC，所以宜採用中斷方式介面。圖2-17給出了其與8031/51的介面電路。

圖2-17MC14433ADC與

8031/51的介面

圖2-18數(shù)據(jù)格式

MC14433ADC與8031／51介面

介面使用P1口，高4位輸入BCD碼，低4位輸入位選信號DS1～DS4。EOC的下跳沿觸發(fā)中斷。按MC14433的輸出時序和介面形式，控制程式如下所示。控制程式由中斷啟動，每次輸入一個完整的轉(zhuǎn)換結(jié)果，並存入8031／51內(nèi)部RAM。存入數(shù)據(jù)格式如圖2-18所示。

2．1．4 並行或特高速ADC

在高速數(shù)據(jù)採集領(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。並行型A／D轉(zhuǎn)換器的速度高，它將輸入模擬電壓Vi與一系列標準電壓同時進行比較，將比較的結(jié)果經(jīng)過編碼後得到二進位數(shù)據(jù)。並行或特高速ADC原理3位二進位並行型A／D轉(zhuǎn)換器(圖2-19)由標準電壓源經(jīng)電阻分壓後得到m（m＝2n-1）個標準電壓（n是轉(zhuǎn)換後得到二進位位數(shù)）;

每一個分壓后的標準電壓與輸入模擬電壓Vi同時（並行）進行比較，若輸入模擬電壓大於標準電壓，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)字編碼後，輸出即為等效於輸入模擬量的二進位數(shù)據(jù)。一個n位二進位並行型A／D轉(zhuǎn)換器需要m（m＝2n-1）個比較器。圖2-19並行型A／D轉(zhuǎn)換器原理圖

幾點說明：

①由圖可知，並行型A/D轉(zhuǎn)換器的精度取決於幾個因素：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相鄰標準電壓；標準電壓源VR的精度也有一定的要求。②並行ADC的速度主要取決於比較器的回應(yīng)速度及數(shù)據(jù)寄存器（D觸發(fā)器）的回應(yīng)時間。③n位並行型ADC轉(zhuǎn)換器需要（2n－1）個