CN104208809A - 高压电场治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压电场治疗仪，包括：微控制器、模拟控制电路、高压变换器和电源模块；微控制器，接收用户输入的电压、频率和波形控制信号，产生用于控制模拟控制电路产生相应的频率和电平的模拟低电压控制信号和波形控制信号；模拟控制电路，接收来自微控制器的模拟低电压控制信号和波形控制信号；高压变换器，接收来自模拟控制电路的具有波形的中压电压信号转化为高压电压信号输出；微控制器进一步包括：具有延时单元的相位累加器、相位截断单元和查找表。本发明可产生多种电脉冲波形和高压值，不仅用户可根据自身的需求调节高压和脉冲波形，而且适用于家用和医用临床理疗，结构紧凑、功能稳定，方便了普通用户的日常操作。

Description

高压电场治疗仪

技术领域

本发明涉及电场治疗仪领域，具体涉及一种高压电场治疗仪。

背景技术

电场治疗仪是通过使用1000V~30000V电压，创造一种电磁环境，主要是电场环境，对人体进行调节，保持人体的内环境的综合平衡，达到治疗神经类慢性疾病目的的仪器。国内目前对于电场治疗仪尚无明确分类。电场治疗仪通常分为家庭理疗用和医院治疗使用两种。家庭用电场治疗仪所用的电压一般不高于 9000V，而医院用电场治疗仪所用的电压一般在9000V到30000V之间。电场治疗仪通常由高压发生器及产生电场的电极等结构单元组成，一般具有电场波形调节、参数输入和显示等功能，但目前市面上在售的电场治疗仪波形产生的种类、高压产生的种类单一，多数的电场治疗仪仅适用于家庭理疗用，因此难以满足各种用户的多样化需求和医院治疗的用途。

发明内容

本发明提供一种高压电场治疗仪，此高压电场治疗仪可输出2种以上高压值的电场治疗仪，可产生多种电脉冲波形和高压值，不仅用户可根据自身的需求调节高压和脉冲波形，而且适用于家用和医用临床理疗，满足多样化的市场需求；且结构紧凑、功能稳定，方便了普通用户的日常操作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压电场治疗仪，包括：微控制器、模拟控制电路、高压变换器和电源模块；

所述微控制器，接收用户输入的电压、频率和波形控制信号，产生用于控制模拟控制电路输出相应频率和电平的模拟低电压控制信号和波形控制信号，此模拟低电压控制信号用于调整电场的电压，波形控制信号用于调整电场的频率和波形；

所述模拟控制电路，接收来自微控制器的模拟低电压控制信号和波形控制信号，并将该模拟低电压控制信号转换为模拟中电压信号，作为变压器的输入信号，并向微控制器的输入接口提供输出信号的电平值，同时根据波形控制信号调整电场的频率和波形；

所述高压变换器，接收来自模拟控制电路的具有波形的中压电压信号转化为高压电压信号输出；

所述输入控件，接收用户直接操作输入的频率、波形和电压指令从而形成电压、频率和波形控制信号，将该电压、频率和波形控制信号送入微控制器的输入接口；

所述电源模块，将交流220V/50Hz变换到直流电压，为各模块提供工作电压；

显示屏，用于显示当前高压电场治疗仪的工作状态，工作状态包括电压幅度、频率和波形类型；

所述微控制器进一步包括：具有延时单元的相位累加器、相位截断单元和查找表，输入的频率控制字经相位累加之后，送入相位截断单元进行处理，处理后的信号作为查找表的输入地址进行查表输出波形信号，当输出正弦波形时，查找表储存正弦信号，当输出矩形波时，查找表储存矩形信号，当输出三角波时，查找表储存三角波信号；

所述模拟控制电路包括依次串连的第一高速光耦、第一MOS功率管、2个第二MOS功率管，一脉冲调制器位于第一运算放大器和第一高速光耦之间，一分压电阻位于第一MOS功率管和第一运算放大器之间，第二运算放大器、第三运算放大器和2个第二高速光耦依次串连，且2个第二高速光耦分别连接到2个第二MOS功率管上。

上述技术方案中的进一步改进方案如下：

1. 上述方案中，所述波形类型为矩形波、正弦波、三角波。

2. 上述方案中，所述高压变换器将最大幅度为200V的电压信号变换为9000V或30kV的电压信号。

3. 上述方案中，所述输入控件包括电压控制旋钮、波形选择按钮、高压输出按钮和频率控制旋钮。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明高压电场治疗仪，其不仅实现了输出高压可任意调节，工作频率也可在10Hz～1kHz任意调节。根据用户的需要，设备也可选择三种工作波形：正弦波、方波及三角波。整个设备采用全塑料盒体，安全性高，即使输出高压短接到地，电流也不超过1mA，设备内部设置了短路保护。设备操作界面简洁、便利，工作电压和工作频率均直接通过设备面板显示屏显示；便于用户根据自身条件，设定相应的电压、频率和波形。

附图说明

附图1为本发明高压电场治疗仪结构原理示意图；

附图2为本发明高压电场治疗仪中微控制器波形产生原理示意图；

附图3为本发明波形产生程序流程示意图；

附图4为本发明模拟控制电路结构示意图；

附图5为本发明微控制器与模拟控制电路的DA接口电路示意图；

附图6为本发明微控制器与模拟控制电路波形幅度控制信号接口电路结构示意图。

以上附图中：1、微控制器；2、模拟控制电路；3、高压变换器；4、电源模块；5、输入控件；6、显示屏；7、延时单元；8、相位累加器；9、相位截断单元；10、查找表；11、第一高速光耦；12、第一MOS功率管；13、第二MOS功率管；14、第一运算放大器；15、分压电阻；16、第二运算放大器；17、第三运算放大器；18、第二高速光耦；19、第一运算放大器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种高压电场治疗仪，包括：微控制器1、模拟控制电路2、高压变换器3和电源模块4；

所述微控制器1，接收用户输入的电压、频率和波形控制信号，产生用于控制模拟控制电路2产生相应的频率和电平的模拟低电压控制信号和波形控制信号，此模拟低电压控制信号用于调整电场的电压，波形控制信号用于调整电场的频率和波形；

所述模拟控制电路2，接收来自微控制器1的模拟低电压控制信号和波形控制信号，并将该模拟低电压控制信号转换为模拟中电压信号，作为变压器的输入信号，并向微控制器1的输入接口提供输出信号的电平值，同时根据波形控制信号调整电场的频率和波形；

所述高压变换器3，接收来自模拟控制电路2的具有波形的中压电压信号转化为高压电压信号输出；

所述输入控件5，接收用户直接操作输入的频率、波形和电压指令从而形成电压、频率和波形控制信号，将该电压、频率和波形控制信号送入微控制器的输入接口；

所述电源模块4，将交流220V/50Hz变换到直流电压，为各模块提供工作电压；

显示屏6，用于显示当前高压电场治疗仪的工作状态，工作状态包括电压幅度、频率和波形类型；

所述微控制器1进一步包括：具有延时单元7的相位累加器8、相位截断单元9和查找表10，输入的频率控制字经相位累加之后，送入相位截断单元9进行处理，处理后的信号作为查找表10的输入地址进行查表输出波形信号，当输出正弦波形时，查找表10储存正弦信号，当输出矩形波时，查找表10储存矩形信号，当输出三角波时，查找表10储存三角波信号；

所述模拟控制电路2包括依次串连的第一高速光耦11、第一MOS功率管12、2个第二MOS功率管13，一脉冲调制器14位于第一运算放大器19和第一高速光耦11之间，一分压电阻15位于第一MOS功率管12和第一运算放大器19之间，第二运算放大器16、第三运算放大器17和2个第二高速光耦18依次串连，且2个第二高速光耦18分别连接到2个第二MOS功率管13上。模拟信号接收来自控制器经过LM358处理的voltage_ctrl信号和DA_OUT信号，其中voltage_ctrl信号为电压控制数字信号，DA_OUT是包括了频率和波形的模拟低压信号。 第二高速光耦起到快速开关作用（通过 DA_OUT 和 i_back信号的比较结果控制）。如果该比较结果大于光耦的开启电压，则光耦为开，否则为关。两个光耦的输出端分别连接两个功率管的输入端，MOS功率管起到信号的放大作用，即将该高速光耦的输出结果进行放大。

上述波形类型为矩形波、正弦波、三角波。

上述高压变换器将最大幅度为200V的电压信号变换为9000V或30kV的电压信号。

上述输入控件包括电压控制旋钮、波形选择按钮、高压输出按钮和频率控制旋钮。

不同于常规控制电路，高电压治疗仪中要实现工作频率范围为1Hz～1kHz， 扫频范围可达1000 倍的矩形波、正弦波、三角波几种高压输出。方案中所使能的微控制器结合DDS的工作原理，可完成所需的功能需求。具体的工作原理如图2所示。

DDS主要分为相位累加器、相位截断和查找表三个部分。其中，相位累加器包括累加和延时单元；相位截断功能是将N位宽数据转化为N-m位宽数据，以减少查找表地址；查找表本质上是一个只读的储存器ROM，查找表的内容为二进制波形数据，该数据产生的方法很多，可以通过手工计算输入，也可通过matlab软件工具中的函数生成。

输入的频率控制字经相位累加之后，送入相位截断单元进行处理，处理后的信号作为查找表的输入地址进行查表输出波形信号。

当输出正弦波形时，查找表储存正弦信号；当输出矩形波时，查找表储存矩形信号；当输出三角波时，查找表储存三角波信号。

假设“工作时钟 ”，该时钟为时钟电路输入的8MHz时钟信号，通过微控制器的倍频功能进行倍频后，“频率控制字”为A，相位累加器的位宽为N，相位截断位宽为M，查找表的深度为D，则波形输出频率为f0，则它们之间的关系如下：

采用微控制器STM32F103ZET6，其FLASH的容量为512KB，DA的位宽为12，最快的工作时钟约为250K，要求产生的频率为1～1000Hz，则累加器位宽N最小应为：[log(250K/1)]=18，相位截断位宽采用16位，则3种存储波形所占用的空间小于288KB。此时，微控制器的FLASH容量满足要求。

通过运行于微控制器产生3种波形的具体实现方法为：将归一化的1个周期正弦、方波或三角波信号幅度值转换二进制数据，并将该二进制数据定义为常量数组的方式存储在flash中，采用微控制器上所具有的定时中断功能对常量数组进行逐个查找输出，即可产生相应的波形信号。中断的定时时间即为采样时间，通过改变该参数，即可改变输出的信号的频率。具体的流程图如图4所示。

信号波形控制

微控制器通过输出接口输出三种波形信号送给“模拟控制电路”的后续处理如图4所示。D/A输出的信号（0～3.3V）经运放LM358进行正负差分转换为-3.3V～3.3V（输入的0对应-3.3V，3.3V对应3.3V）。该信号与初级线圈输出的以校准输出高压信号精度的反馈信号Iback同运放LM148进行差分比较，当DA的值大于iback信号的值，则输出高‘1’，否则，输出低‘0’。DA和iback比较后的输出信号，控制高速光耦A4504输入端发光二极管的开启和闭合，当输出信号为‘1’时，A4504输出为低‘0’，否则为高‘1’。

在高速光耦输出信号的控制下，通过两个IRF840（IRF840是一个高速信号开关，当G（源极）为高时通道开启，信号输出，当G为低时通道闭合，信号阻塞无信号输出）输出到变压器的初级，经高压变换线圈后输出需要的高压电压。一定波形的0～200V电压幅度经100：4500的变压器，最终输出9kV高压信号或输入到匝数比为1:150变换线圈的初级，次级输出30kV高压信号。

电压幅度控制

LM358运算放大器将微控制器通过输出接口和串行DA5615进行电平转换后输出的高压控制信号（VOLTAGE_CTRL）和模拟控制电路的中压模拟信号（0～200V）通过电阻R11和R12分压后的信号进行比较，输出高低（‘1’和‘0’）脉冲信号。然后，反馈到脉冲调制控制芯片TL494，产生调制的脉冲信号（具体的调制脉冲信号可参考该芯片的数据手册），该调制脉冲信号用来控制，高速光耦耦合的输出信号，进一步控制MOS功率管IRF840的输出电压（0～200V），从而达到所需输出电压幅度要求。

控制器与模拟控制电路接口

微控制器采用意法半导体的STM32F103ZET6 ARM芯片，通过该芯片的DAC1引脚输出模拟波形信号（三种波形信号）至模拟控制电路。同时，通过PA3、PA5和PA7输出电压控制信号，经TLC5615窜行DA转换信号转换为模拟votage_ctrl信号，最终控制模拟控制电路的信号波形幅度（0～200V），接口电路分别如图5和图6所示。

采用上述高压电场治疗仪时，其不仅实现了输出高压可任意调节，工作频率也可在10Hz～1kHz任意调节。根据用户的需要，设备也可选择三种工作波形：正弦波、方波及三角波。整个设备采用全塑料盒体，安全性高，即使输出高压短接到地，电流也不超过1mA，设备内部设置了短路保护。设备操作界面简洁、便利，工作电压和工作频率均直接通过设备面板显示屏显示；便于用户根据自身条件，设定相应的电压、频率和波形。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种高压电场治疗仪，其特征在于：包括：微控制器（1）、模拟控制电路（2）、高压变换器（3）和电源模块（4）；

所述微控制器（1），接收用户输入的电压、频率和波形控制信号，产生用于控制模拟控制电路（2）产生相应的频率和电平的模拟低电压控制信号和波形控制信号，此模拟低电压控制信号用于调整电场的电压，波形控制信号用于调整电场的频率和波形；

所述模拟控制电路（2），接收来自微控制器（1）的模拟低电压控制信号和波形控制信号，并将该模拟低电压控制信号转换为模拟中电压信号，作为高压变换器（3）的输入信号，并向微控制器（1）的输入接口提供输出信号的电平值，同时根据波形控制信号调整电场的频率和波形；

所述高压变换器（3），接收来自模拟控制电路（2）的具有波形的中压电压信号转化为高压电压信号输出；

所述输入控件（5），接收用户直接操作输入的频率、波形和电压指令从而形成电压、频率和波形控制信号，将该电压、频率和波形控制信号送入微控制器的输入接口；

所述电源模块（4），将交流220V/50Hz变换到直流电压，为各模块提供工作电压；

显示屏（6），用于显示当前高压电场治疗仪的工作状态，工作状态包括电压幅度、频率和波形类型；

所述微控制器（1）进一步包括：具有延时单元（7）的相位累加器（8）、相位截断单元（9）和查找表（10），输入的频率控制字经相位累加之后，送入相位截断单元（9）进行处理，处理后的信号作为查找表（10）的输入地址进行查表输出波形信号，当输出正弦波形时，查找表（10）储存正弦信号，当输出矩形波时，查找表（10）储存矩形信号，当输出三角波时，查找表（10）储存三角波信号；

所述模拟控制电路（2）包括依次串连的第一高速光耦（11）、第一MOS功率管（12）、2个第二MOS功率管（13），一脉冲调制器（14）位于第一运算放大器（19）和第一高速光耦（11）之间，一分压电阻（15）位于第一MOS功率管（12）和第一运算放大器（19）之间，第二运算放大器（16）、第三运算放大器（17）和2个第二高速光耦（18）依次串连，且2个第二高速光耦（18）分别连接到2个第二MOS功率管（13）上。

2. 根据权利要求1所述的高压电场治疗仪，其特征在于：所述波形类型为矩形波、正弦波、三角波。

3. 根据权利要求1所述的高压电场治疗仪，其特征在于：所述高压变换器将最大幅度为200V的电压信号变换为9000V或30kV的电压信号。

4. 根据权利要求1所述的高压电场治疗仪，其特征在于：所述输入控件包括电压控制旋钮、波形选择按钮、高压输出按钮和频率控制旋钮。