CN102357034B - 一种用于电阻抗成像的低功耗电流激励源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电阻抗成像技术领域，具体包含一种用于电阻抗成像过程的低功耗电流激励源。此电路由方波信号发生器、方波稳压信号源和电压电流变换电路构成，可以产生一个频率可调的、方波电流激励信号。此电路采用单电源供电，功耗较低，适宜于电池供电的便携式电阻抗成像系统使用。

Description

一种用于电阻抗成像的低功耗电流激励源
技术领域
本发明属于生物电阻抗成像技术领域，具体涉及一种应用于便携式电阻抗成像的低功耗电流激励源。
背景技术
生物电阻抗成像技术是使用从生物体表无创测量的到的一组电阻抗信息，对生物体的内部结构进行成像的一种断层成像技术。该技术需要使用电阻抗测量设备对成像目标进行电阻抗测量，得到包含成像目标内部信息的、某频率下的一组电阻抗值。在进行电阻抗测量时，一般需要对成像目标施加一个恒定强度的电流激励，并测量成像目标上的响应电压，则响应电压除以激励电流即为成像目标的电阻抗。
传统的电阻抗成像技术中进行电阻抗测量时，对成像目标施加的激励一般是正弦电流激励信号。传统的正弦电流源电路中，一般采用FPGA+高速DAC的方案产生正弦电压激励信号，并使用基于运放AD844的镜像电流源技术来构建电压电流转换电路。
在这种传统的正弦电流源电路中，FPGA、高速DAC、AD844等芯片都需要消耗较大的电流，而且需要较高、较多的供电电压，导致其供电电路较为复杂、功耗大，因而不便于在电池供电的手持式电阻抗成像系统中使用。
所以，需要一种供电简单、功耗低、精度较高的激励电流源电路，以便于应用于电池供电的手持式电阻抗成像设备。
发明内容
本发明的目的在于为电池供电的手持式电阻抗成像设备提供一种供电简单、低功耗、高精度，且能够输出方波激励电流信号的用于电阻抗成像的低功耗电流激励源。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：该电流激励源由方波信号发生器、方波稳压信号源和电压电流变换电路构成；
所述的方波信号发生器由高频时钟以及与调频时钟的信号输出端相连接的分频器构成，其中，高频时钟由高精度的晶体振荡电路产生；分频器由单片机内置的Timer模块实现，或由低功耗复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现；
所述的方波稳压信号源由2V直流电压源、1V直流电压源和模拟开关构成，其中，直流电压源分别是由2V和1V的参考电压源电路产生；直流电压源产生的2V和1V电压分别送入2选1的模拟开关的两个输入端；方波信号发生器的信号输出端与模拟开关相连输出控制信号控制模拟开关；
所述的电压电流变换电路由低功耗运算放大器、电阻和电容构成，第一低功耗运算放大器的同相输入端经第一电阻与方波稳压信号源相连接，第一低功耗运算放大器的输出端经第二电阻与其反相输入端相连接，低功耗运算放大器的反相输入端还经第三电阻接等电位点发生电路，低功耗运算放大器的输出端经第四电阻连接激励电流输出端，同时连接第二低功耗运算放大器的同相输入端，第五电阻连接在第二低功耗运算放大器的输出端与反相输入端之间，第二低功耗运算放大器的输出端经电容和第六电阻接第一低功耗运算放大器的同相输入端。
所述的分频器对高频时钟产生的时钟信号进行分频，输出占空比为50％的方波；分频器的分频系数由程序调整，从而调整激励信号的频率。
所述的方波信号发生器输出的控制信号控制模拟开关选择直流电压源产生的2V和1V电压中的一个与模拟开关的公共端相连，从而使得方波稳压信号源输出高电平为2V、低电平为1V的方波稳压信号。
所述的第一电阻采用可调电阻从而调整激励电流的强度。
所述的等电位点发生电路由电阻、电容、运算放大器构成，其中等电位点第一电阻、第二电阻串接在3.3V电源和地之间对3.3V电源进行分压得到需要的等电位点电压，电容并联在第二电阻的两端，用于滤除等电位点电压上的噪声，分压得到的等电位点电压进入低功耗运算放大器的同相输入端，低功耗运算放大器的反相输入端与输出端相连接构成深度负反馈电路，用于增加等电位点电压的驱动能力。
本发明由高频时钟和分频器构成的方波信号发生器；由高精度参考电压源和模拟开关构成的方波稳压信号源；由低压、低功耗运算放大器和阻容元件构成的电压电流转换电路。
与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，本发明所提供的设计方案中所使用的元件都可以使用较低的供电电压；其次，本发明所提供的设计方案所需消耗的电流较小，功耗较低；最后，本发明所提供的设计方案可以调整激励信号的频率与强度。可以为电池供电的便携式电阻抗成像系统提供高精度的、频率与强度可调的激励电流信号。
附图说明
图1是本发明激励电流源总体结构图。
图2是本发明方波信号发生器结构框图。
图3是本发明方波稳压信号源结构框图。
图4是本发明等电位点电压发生器电路原理图。
图5是本发明电压电流转换电路原理图。
具体实施方式
本发明所述的的实施方式进一步详细说明如下：
参见图1，本发明的电流激励源由方波信号发生器1、方波稳压信号源2和电压电流变换电路3构成；
参见图2，方波信号发生器1由高频时钟4和分频器5构成。其中，高频时钟4由高精度的晶体振荡电路产生；分频器5可以由单片机内置的Timer模块实现，也可以由低功耗复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现。分频器5对高频时钟4产生的时钟信号进行分频，输出占空比为50％的方波。分频器5的分频系数可以由程序调整，从而可以调整激励信号的频率。
参见图3，方波稳压信号源2由2V直流电压源6、1V直流电压源7和模拟开关8构成。其中，直流电压源6、7分别是由2V和1V的参考电压源电路产生；直流电压源6、7产生的2V和1V电压分别送入2选1模拟开关8的两个输入端；模拟开关8的控制信号是方波信号发生器1输出的方波信号，此控制信号选择直流电压源6、7产生的2V和1V电压中的一个与模拟开关8的公共端相连，从而使得方波稳压信号源2输出高电平为2V、低电平为1V的方波稳压信号。
参见图5，电压电流转换电路3由低功耗运算放大器15、18、电阻13、14、16、17、20、21和电容19构成，第一低功耗运算放大器15的同相输入端经第一电阻21与方波稳压信号源2相连接，第一低功耗运算放大器15的输出端经第二电阻14与其反相输入端相连接，低功耗运算放大器15的反相输入端还经第三电阻13接等电位点发生电路，低功耗运算放大器15的输出端经第四电阻16连接激励电流输出端，同时连接第二低功耗运算放大器18的同相输入端，第五电阻17连接在第二低功耗运算放大器18的输出端与反相输入端之间，第二低功耗运算放大器18的输出端经电容19和第六电阻20接第一低功耗运算放大器15的同相输入端。
电压电流转换电路3采用单电源供电的方式，其第一电阻13的一端需要接等电位点，其输出的激励电流也是相对于等电位点的，等电位点的电压一般为电源电压和0V之间的一个电压。此电压由等电位点发生电路产生。参见图4，所述的等电位点发生电路由电阻9、10、电容11、运算放大器12构成，其中等电位点第一电阻9、第二电阻10串接在3.3V电源和地之间对3.3V电源进行分压得到需要的等电位点电压，电容11并联在第二电阻10的两端，用于滤除等电位点电压上的噪声，分压得到的等电位点电压进入低功耗运算放大器12的同相输入端，低功耗运算放大器12的反相输入端与输出端相连接构成深度负反馈电路，用于增加等电位点电压的驱动能力。

Claims (5)

1.一种用于电阻抗成像的低功耗电流激励源，其特征在于：该电流激励源由方波信号发生器（1）、方波稳压信号源（2）和电压电流变换电路（3）构成；
所述的方波信号发生器（1）由高频时钟（4）以及与高频时钟的信号输出端相连接的分频器（5）构成，其中，高频时钟（4）由高精度的晶体振荡电路产生；分频器（5）由单片机内置的Timer模块实现，或由低功耗复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现；
所述的方波稳压信号源（2）由2V直流电压源（6）、1V直流电压源（7）和模拟开关（8）构成，其中，直流电压源（6、7）分别是由2V和1V的参考电压源电路产生；直流电压源（6、7）产生的2V和1V电压分别送入2选1的模拟开关（8）的两个输入端；方波信号发生器（1）的信号输出端与模拟开关（8）相连输出控制信号控制模拟开关（8）；
所述的电压电流变换电路（3）由低功耗运算放大器（15、18）、电阻（13、14、16、17、20、21）和电容（19）构成，第一低功耗运算放大器（15）的同相输入端经第一电阻（21）与方波稳压信号源（2）相连接，第一低功耗运算放大器（15）的输出端经第二电阻（14）与其反相输入端相连接，第一低功耗运算放大器（15）的反相输入端还经第三电阻（13）接等电位点发生电路，第一低功耗运算放大器（15）的输出端经第四电阻（16）连接电流激励源输出端，同时连接第二低功耗运算放大器（18）的同相输入端，第五电阻（17）连接在第二低功耗运算放大器（18）的输出端与反相输入端之间，第二低功耗运算放大器（18）的输出端经电容（19）和第六电阻（20）接第一低功耗运算放大器（15）的同相输入端。
2.根据权利要求1所述的用于电阻抗成像的低功耗电流激励源，其特征在于：所述的分频器（5）对高频时钟（4）产生的时钟信号进行分频，输出占空比为50%的方波；分频器（5）的分频系数由程序调整，从而调整激励信号的频率。
3.根据权利要求1所述的用于电阻抗成像的低功耗电流激励源，其特征在于：所述的方波信号发生器（1）输出的控制信号控制模拟开关选择直流电压源（6、7）产生的2V和1V电压中的一个与模拟开关（8）的公共端相连，从而使得方波稳压信号源（2）输出高电平为2V、低电平为1V的方波稳压信号。
4.根据权利要求1所述的用于电阻抗成像的低功耗电流激励源，其特征在于：所述的第四电阻（16）采用可调电阻从而调整激励电流的强度。
5.根据权利要求1所述的用于电阻抗成像的低功耗电流激励源，其特征在于：所述的等电位点发生电路由电阻（9、10）、电容（11）、低功耗运算放大器（12）构成，其中等电位点第一电阻（9）、第二电阻（10）串接在3.3V电源和地之间对3.3V电源进行分压得到需要的等电位点电压，电容（11）并联在第二电阻（10）的两端，用于滤除等电位点电压上的噪声，分压得到的等电位点电压进入低功耗运算放大器（12）的同相输入端，低功耗运算放大器（12）的反相输入端与输出端相连接构成深度负反馈电路，用于增加等电位点电压的驱动能力。
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