CN1048644A

CN1048644A - X线机管电流无级控制装置

Info

Publication number: CN1048644A
Application number: CN 90103459
Authority: CN
Inventors: 汪鲜
Original assignee: XUZHOU MINE ADMINISTRATION
Current assignee: XUZHOU MINE ADMINISTRATION
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1991-01-16
Also published as: CN1015227B

Abstract

本发明提出了一种X线机管电流无级控制装置，由比较积分放大电路、线性光电耦合电路、欠流和过流信号电路、脉冲调制电路、方波正弦波波形变换电路、全波整流电路、电流调整电路、电流负反馈电路、脉冲发生与延迟电路以及电源供给电路构成，本装置对X线管灯丝电流控制精度高、稳流性好，与现有的X光设备管灯丝供电回路兼容性好，具有欠流过流报警功能，配合X线电子计算机控制系统的高分辨的DA转换器控制时，能达到0.1mA灯丝变压器初级电流分辨率和±0.1mA的稳流精度。

Description

本发明属于一种电流控制电路，适用于医用X线机管电流的无级控制。

当前，X光摄片在医学中已径非常普及而广泛，但如何提高X光片的质量，一直是一个复杂而又棘手的问题。由于摄片的工艺复杂，影响因素很多，如：不同病人的身体情况不同，则摄片条件（管电压kV管电流mA和曝光时间S）也应不同，人体被投照的部位上因个体而异其厚度变化是一逐渐上升和下降的正态曲线，故对其摄片的各种条件也应具有较小的调节能力。而为了使X光机系统精确输出，又提出了动态修正的工作方式。这样就要求机器能对管电压kV、管电流mA进行精确的无级调节，但是，现有的X线机的管电流是用电阻来分档选择，且分档较粗，不能按照实际需要无级控制X光管的电流，因而在管电流控制上出现断点，无法满足摄制高质量胸片的需要。

本发明的目的是设计一种用于X线发生系统的管电流无级控制装置。

X光管实际为阴极射线管，通过阴极的灯丝发射及阳极的超高压来吸引碰撞来实现发射X线的目的，X线的穿透力取决于管电压kV，而其量取决于阳极电流mA（或称管电流），一般来讲管电流mA与管电压kV，灯丝电流A的关系如下：

mA ∝Aⁿ·kV

因此，若要有一个kV和mA，必须有一个灯丝电流A，本发明废弃了目前X光系统采用电阻控制灯丝电流的方法，而设计出一种通过无级控制灯丝电流A从而实现对X线发生系统管电流无级控制的高精度交流稳流装置，即X线机管电流无级控制装置

本发明设计的X线管电流无级控制装置由比较积分放大电路，线性光电耦合电路、欠流和过流信号电路、脉冲调制电路、方波正弦波波形变换电路、全波整流电路、电流调整电路、电流负反馈电路、脉冲发生与延迟电路以及电源供给电路构成。各电路的构成和原理如下所述：

1、比较积分放大电路

其结构为一运算放大器I_ci构成的具有比较积分性质的运算放大电路，它有两个输入端，反相输入来自X线机计算机控制系统的DA转换器输出的模拟电压，同相输入端来自电流反馈电路，而来自电流反馈端的电压为一主频为2倍电源频率的直流脉动电压，为了在输出端获得平直的信号，避免整个电路在控制中产生振荡，故将C₁跨在运放的输出端和反相输入端，使此电路具有积分性质。

2、线性光电耦合电路

通过本级电路将比较积分放大电路的输出信号用光电耦合方法达到电路上绝缘且能将信号传输过去的目的。光电耦合电路的输出为一PNP管射极耦合电路，其流过发光二极管的电流I＝（V_i-0.7）/R₅（V_i为本级电路的输入电压），0.7为三极管基射电压降，二极管D₁和R₄将正电压钳位至地电压。因为整个装置的精度和线性度取决于比较积分放大电路和电流负反馈电路的精度和线性度，对其他电路要求并不严格，故本级电路采用一普通的光电耦合器，在5～20mA范围内具有一定的线性耦合度。其耦合过去的电流在R₆上形成了一电压去下级电路，至此，前级电路与后级电路的信号耦合已告完成，使级间无电的联系，故实现了前后级的绝缘状态。避免了前级电路（一般与计算机硬件相连）与后级电路（与外界电源相连）互相干扰的情况发生。

3、欠流和过流信号电路

欠流和过流信号电路由两个电压比较器I_c2、I_c3构成，由R₉、W₁、W₂组成其报警电压域值，当比较积分放大电路的输出端出现低于欠流值（一般情况下为X光灯丝供电机构发生断路，以及电流反馈机构发生故障）时，则欠流比较器的输出端输出一高电平去控制欠流报警装置。当上级电路的输出出现高于过流域值时（一般为电路后级的大功率调整管出现击穿短路以及其他电路故障），则过流比较器的输出端输出一高电平控制过流报警装置。

4、方波正弦波波形变换电路

该级电路为一低通有源滤波器和一高通有源滤波器串联构成的带通滤波器，其带通频率f与电源频率相同，故当其输入端输入一频率＝f的方波信号时，在其输出端便可获得一失真度很小的、与方波频率一样的正弦波波形，但因带通滤波器相位上的超前或滞后，其输出的正弦波与输入的方波在相位上有一个固定的相位差。

5、全波整流电路

本级电路为运算电路的基本形式之一“绝对值运算电路”，所不同的是其电路中第二级运放I_c7的反馈电阻R₂₁，不是跨接在I_c7的输出端和反相输入端，而是跨接在其后级电流调整电路功率管T₄的发射极和I_c7的反相输入端间，当其输入端输入一正弦信号Vi时，其后级电流调整电路功率管T₄的发射级电阻R₂₄上，便出现一正弦波全波整流的电压波形信号，电路中要求R₁₆＝R₁₈＝R₂₀，R₁₉＝2R₂₀，且误差＜1‰。

6、电流调整电路

本级电路为一大功率管的电流调整电路，当单管功率不够时，可将多个管并联，使多个管的基极与T₄的基极并接在一起，集电极与T₄的集电极并接在一起，发射极通过另加的均恒电阻与T4的发射极电阻R24的热端并接在一起。此大功率管T₄通过全波整流电路与X线管灯丝变压器初极和电流互感器串联接到灯丝供电的交流电源中，其交流环路中电流的大小和波形与大功率管T₄所流过的电流大小和波形有关，且还受到外界交流电源波形的钳制。即大功率管中流过的电流大小及波形和外界电源的波形决定了环路的电流大小和波形，所以，当电流调整电路的输入电压波形与调整管T₄集电极的电压波形同频、同相时，则调整管T₄在此交流环路中就相当于一只纯电阻，在前级电路的控制下，稳定此交流环路的电流。T₄与T₃为一复合的射极耦合电路，其环路电流I只取决于前级全波整流电路的输入电压Vi的绝对值，即I＝｜Vi/R₂₄｜，故外界电源电压的变化（电压必须大于一给定值，即T₄上必须有20V的压降）对环路中电流的变化是无关的，从而体现了稳流的特性。在实际工作中，输入电压正是一组与T₄同频，同相的正弦波全波整流脉动电压，故这个电路具有对交流环路电流的稳定的控制，其交流电流的大小取决于Vi的高低，即I_交＝Vi/R₂₄。

由于X线管的灯丝上对地有50KV以上的电压，可以通过灯丝变压器的初级电感耦合到交流环路上，从而对电路中的调整管等元件造成击穿等损害，故在实际电路中，除了对T₄的BV_CEO要求＞1000V外，还必须加脉冲消除电路，C₆R₂₅组成的一阻容吸收电路、D₉与D₁₀为稳压值500V左右的稳压管相反串联跨在环路上，当＞500V的脉冲到时，可将其钳位至500V，有了这两组保护电路后，即可以可靠地保护电路中的各元器件。

电流互感器将环路中的电流互感后反映到电流反馈电路中，对此电流互感器的要求是，互感比为100∶1，环路中电流为100～500mA时，互感器的次级短路电流为1～5mA，且对其线性度有一定的要求。

7、电流负反馈电路

此电路的作用是将环路中的电流强弱变化为直流电压反馈给比较积分放大电路。电路的第一级为一电流电压变换器，为提高电路的共扼抑制性，采用对称输入故电路中R₂₆＝R₂₇时，其输出电压V₀＝-2I₀R₂₇。电路第二级为绝对值运算电路，当输入一交变电压时，输入为一全波整流电压。

此电路是整个电路中的反馈电路，其精度、线性及稳定度决定了整个电路的精度、线性和稳定性，故实际电路中，对此电路中的所有的运放均采用高精度，高稳定和低温漂的运放电路（如OP-07），所有电阻均采用高精度及低温漂的类型。

8、脉冲发生与延迟电路

此电路的作用是取得一系列与电源同频的方波信号，且将其延迟后输给脉冲调制电路，以完成光电耦合信号的调制，其延迟作用在于补偿方波正弦波波形变换过程中的相位上的差异，使调整管的基级输入电压的波形与其集电极控制电压的波形同频、同相。

电路的第一级为一电源频率方波发生电路，实质上为电压比较器，输入一交变电压，从而在其输出端获得一与电源频率相同的方波。I_C11是末端为OC输出的电压比较器（如LM311），故在应用中十分方便，不需对输入电压进行整流，D₁₃与D₁₄的作用将输入电压钳位至0.7V，以保护电压比较器的输入端。电路的第二级为全脉冲延迟电路，将由前级输入的方波进行高精度的全波延迟，电路由异或门I_C14、单稳态电路Ic₁₂、和D触发器Ic₁₃构成，延迟时间由W₄和C₇决定。其原理是：单稳态电路触发端前所加的异或门可交替取出信号的上升沿和下降沿触发脉冲，电路将其脉冲延迟到W₄和C₇所规定的时间后发出，后接的D触发器每得到一个单稳脉冲就翻转1次，一方面使异或门能及时地交替完成同相和反相的功能，一方面成为输出一精确延迟的全方波电路，延迟时间可调节W₄改变。

9、电源供给电路

此电路为供给光电耦合器之后的各级以及与之相连的脉冲发生延迟电路的±15V低压电源。而光电耦合器以前的比较积分放大电路和与之相连的电流负反馈电路则由X线机计算机控制系统电源供给，与此电无关，从而实现电路上的绝缘。

此电路为一普通的交直流电源变换电路，包括整流D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₄、滤波C₈-C₁₃和稳压I_c15、I_c16，采用固定的三端稳压集成电路使之简单可靠，其输出为两组共地电源，电压为±15V。

本发明设计的X线机管电流无级控制装置的优点是：

1、奠定了对X线发生器的管电流进行无级调节的基础，配合计算机误差动态修正的工作方法，可对X线机管电流进行无级准确输出。

2、由于采用了电路的稳流，废弃了传统的磁饱和稳压器，从而对电源频率的变化不敏感，据实测，电源频率变化±3HZ时，电流无明显变化，电路精度高、稳流性好，当电源电压为180-300V时，电流无明显变化，实测（范围50mA～500mA）内温漂时漂小于万分之六。

3、本装置对现有的X线机的灯丝供电回路的兼容性好，不需要改变原灯丝变压器的任何数据和供电电源。

4、可提供欠流和过流故障信号，有利于机器的保护和自诊断。

5、前后级电路为绝缘状态，级间无电的联系，避免了前级电路（一般与计算机弱电电路相连）与后级电路（后级电路与外界220V电源相连）互相干扰。

6、稳定可靠，已在X线系统上使用3年，共曝光1万余次，无故障发生。

图1、X线机管电流无级控制装置电路图

下面结合附图用实施例对本发明做进一步的描述：

本发明提出的X线机管电流无级控制装置的电路图如图1所示，其电路构成及连接关系如下：

1、X线机管电流无级控制装置由比较积分放大电路、欠流和过流信号电路、线性光电耦合电路、方波正弦波波形变换电路、全波整流电路、电流调整电路、电流负反馈电路、脉冲发生与延迟电路以及电源供给电路构成。

2、比较积分放大电路由运算放大器I_c1、积分电容C₁、反馈电阻R₃和输入电阻R₁、R₂构成，I_c1的同相输入端通过R₂连接电流反馈电路的输出端，I_c1反相输入端通过R₁连接X线机计算机控制系统的DA转换器输出的电压。

3、线性光电耦合电路由PNP管T₁、发光二极管-光敏三极管光电耦合器G、电阻R₄、R₅、R₆、二极管D₁、构成，其输入端T₁的基极通过R₄与比较积分放大电路的输出端相连接，光电耦合器内的发光二极管的阳极接T₁的集电极，阴极接X线机计算机控制系统的低压负电源，光电耦合器的光敏三极管的集电极接本装置的正电源;发射极通过R₆接本装置电源地端。

4、欠流和过流信号电路由电压比较器I_c2、I_c3、电阻R₇、R₈、R₉、电位器W₁、W₂、构成，其欠流电压比较器I_c2的同相输入端和过流电压比较器的反相输入端分别通过输入电阻R₇、R₈与比较积分放大电路的输出端相接，R₉、W₁、W₂组成一分压器跨接在X线机计算机控制系统的电源地端和负电源之间，且R₉与W₁的相接端接I_c2的反相端，W₁与W₂的接端接I_c3的同相端;

5、脉冲调制电路由三极管T₂电阻R₁₀、R₁₁组成，其发射极接本装置电源的地端，而集电极通过R₁₀与光电耦合电路的光敏三极管的发射极相接，基极通过R₁₁与脉冲延迟电路D触发器I_c13的Q输出端相接;

6、方波正弦波波形变换电路为一带通滤波器，其带通频率与交流电源频率相同，由运放I_c4、I_c5、电容C₂、C₃、C₄、C₅、电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅构成，其输入端接脉冲调制电路T₂的集电极。

7、全波正流电路为由I_c6、I_c7、开关二极管D₂、D₃、电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀、R₂₁、R₂₂构成的一种绝对值运算电路，所不同的是反馈电阻R₂₁应接I_c7输出端的一端接在了电流调整电路T₄的发射极上，其输入端接方波正弦波波形变换电路的输入端。

8、电流调整电路由NPN三极管T₃、T₄、整流二极管D₅、D₆、D₇、D₈、稳压二极管D₉、D₁₀、电阻R₂₃、R₂₄、R₂₅、电容C₆、电流互感器B₂、X线机灯丝变压器B₁的初级构成，T₃的集电极接本装置的正电源，发射极通过R₂₃与本装置电源的地端相接，并与T₄的基极相接，T₃的基极与全波整流电路的输出端相接，T₄的发射极通过R₂₁与I_c7的反相输入端相接，且还通过R₂₄与本装置的电源地端相接，D₅、D₆、D₇、D₈组成的全波整流电路;其一交流输入端与电流互感器B₂的初级和灯丝变压器B₁的初级串联接交流电源的一端;其另一交流输入端直接接交流电源的另一端。两交流输入端之间串联接入C₆和R₂₅，以及串入一对负极相对的D₉、D₁₀，其全波整流电路的正极输出端接T₄的集电极;其负极输出端与本装置电源的地端相接。

9、电流负反馈电路由电流电压变换器和全波整流电路组成，其电流电压变换器为典型的平衡输入的互电阻电路，由I_c8的两个输入端接电流互感器次级绕组的两端，全波整流电路为典型的绝对值运算电路，由运放I_c9、I_c10、电阻R₂₈、R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃、电位器W₃、开关二极管D₁₁、D₁₂构成，其输入端接电流电压变换器的输出端;其输出端通过R₂与比较积分放大电路的同相输入端相接。

10、脉冲发生与延迟电路：此电路由方波发生器和全脉冲延迟电路组成，方波发生器由电压比较器I_c11、电阻R₃₄、R₃₅、R₃₆、整流二极管D₁₃、D₁₄所构成。其中I_c11的反相输入端通过R₃₄接电源变压器B₃的次级绕组的一端;同相输入端通过R₃₅与本装置的地端相接（本装置地电位与电源变压器B₃次级的中心抽头相接），I_c11的同、反相输入端之间并联接入正、反向两个二极管D₁₃、D₁₄，I_c11的输出端为电压比较器内部三极管的开路集电极，且通过R₃₆与本装置电源正极相联，其内部三极管的发射极与本装置电源的地端相接。全脉冲延迟电路由异或门I_c14、单稳态电路I_c12、D触发器I_c13以及延迟时间调节电阻W₄、电容C₇组成，其异或门的输出端接单稳态电路的触发端-TR，其一输入端与方波发生器的输出端和I_c13的D端相接;异或门的另一输入端接I_c13的 Q，I_c12的 Q接I_c13的CP端，I_c12的触发端TR接本装置的电源地端，I_c12的T₁、T₂端之间接C₇，而T₁端接本装置电源地端，T₂端通过W₄接本装置正电源，I_c13的R、S端接本装置电源地端，I_c13的Q端通过R₁₁与T₂的基极相接。

本装置整个电路的制作要点：

1、在示波器的监视下，调节脉冲延迟电路中的W₄，使灯丝变压器初级B₁两端的电压波形失真最小。

2、根据所用的X光管灯丝变压器的初级最大电流，调节W₃使计算机DA的模拟电压（0～10V）能够复盖X光管的整个灯丝电流工作范围且稍大一些。即使DA的模拟值最大时，其环路电流可达到X光管灯丝变压器初级最大电流的110%，以便留有一些调节余量。

3、调节W₁和W₂分别使欠流和过流电压域值调到所需的范围，以获得当电流小于欠流值时发出欠流信号，当电流大于过流值时发出过流信号。

Claims

1、一种X线机管电流无级控制装置，其特征在于：

①X线机管电流无级控制装置由比较积分放大电路、欠流过流信号电路、线性光电耦合电路、方波正弦波波形变换电路、全波整流电路、电流负调整电路电流反馈电路、脉冲发生与延迟电路以及电源供给电路构成；

②比较积分放大电路由运算放大器I_c1、积分电容C₁、反馈电阻R₃和输入电阻R₁、R₂构成，I_c1的同相输入端通过R₂连接电流反馈电路的输出端，I_c1反相输入端通过R₁连接X线机计算机控制系统的DA转换器输出的电压；

③线性光电耦合电路由PNP管T₁、发光二极管一光敏三极管光电耦合器G、电阻R₄、R₅、R₆、二极管D₁、构成，其输入端T₁的基极通过R₄与比较积分放大电路的输出端相连接，光电耦合器内的发光二极管的阳极接T₁的集电极，阴极接X线机计算机控制系统的低压负电源，光电耦合器的光敏三极管的集电极接本装置的正电源；发射极通过R₆接本装置电源地端；

④欠流和过流信号电路由电压比较器I_c2、I_c3、电阻R₇、R₈、R₉、电位器W₁、W₂、构成，其欠流电压比较器I_c2的同相输入端和过流电压比较器的反相输入端分别通过输入电阻R₇、R₈与比较积分放大电路的输出端相接，R₈、W₁、W₂组成一分压器跨接在X线机计算机控制系统的电源地端和负电源之间，且R₉与W₁的相接端接I_c2的反相端，W₁与W₂的相接端接I_c3的同相端；

⑤脉冲调制电路由三极管T₂电阻R₁₀、R₁₁组成，其发射极接本装置电源的地端，而集电极通过R₁₀与光电耦合电路的光敏三极管的发射极相接，基极通过R₁₁与脉冲延迟电路D触发器I_c13的Q输出端相接；

⑥方波正弦波波形变换电路为一带通滤波器，其带通频率与交流电源频率相同，由运放I_c4、I_c5、电容C₂、C₃、C₄、C₅、电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅构成，其输入端接脉冲调制电路T₂的集电极；

⑦全波正流电路为由I_c6、I_c7、开关二极管D₂、D₃、电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀、R₂₁、R₂₂构成的一种绝对值运算电路，所不同的是反馈电阻R₂₁应接I_c7输出端的一端接在了电流调整电路T₄的发射极上，其输入端接方波正弦波波形变换电路的输入端；

⑧电流调整电路由NPN三极管T₃、T₄、整流二极管D₅、D₆、D₇、D₈稳压二极管D₉、D₁₀、电阻R₂₃、R₂₄、R₂₅、电容C₆、电流互感器B₂、X线机灯丝变压器B₁的初级构成，T₃的集电极接本装置的正电源，发射极通过R₂₃与本装置电源的地端相接，并与T₄的基极相接，T₃的基极与全波整流电路的输出端相接，T₄的发射极通过R₂₁与I_c7的反相输入端相接，且还通过R₂₄与本装置的电源地端相接，D₅、D₆、D₇、D₈组成的全波整流电路，其一交流输入端与电流互感器B₂的初级和灯丝变压器B₁的初级串联接交流电源的一端；其另一交流输入端直接接交流电源的另一端。两交流输入端之间串联接入C₂和R₂₅，以及串入一对负极相对的D₉、D₁₀，其全波整流电路的正极输出端接T₄的集电极，其负极输出端与本装置电源的地端相接；

⑨电流负反馈电路由电流电压变换器和全波整流电路组成，其电流电压变换器为典型的平衡输入的互电阻电路，由L_c8的两个输入端接电流互感器次级绕组的两端，全波整流电路为典型的绝对值运算电路，由运放I_c8、I_c10 、电阻R₂₈、R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃、电位器W₃、开关二极管D₁₁、D₁₂构成，其输入端接电流电压变换器的输出端；其输出端通过R₂与比较积分放大电路的同相输入端相接；

⑩脉冲发生与延迟电路：此电路由方波发生器和全脉冲延迟电路组成，方波发生器由电压比较器I_c11、电阻R₃₄、R₃₅、R₃₆、整流二极管D₁₃、D₁₄所构成。其中I_c11的反相输入端通过R₃₄接电源变压器B₃的次级绕组的一端；同相输入端通过R₃₅与本装置的地端相接(本装置地电位与电源变压器B₃次级的中心抽头相接)，I _c11的同、反相输入端之间并联接入正、反向两个二极管D₁₃、D₁₄、D_c11的输出端为电压比较器内部三极管的开路集电极，且通过R₃₆与本装置电源正极相联，其内部三极管的发射极与本装置电源的地端相接。全脉冲延迟电路由异或门I_c14、单稳态电路I_C12、D触发器I_c13及延迟时间调节电阻W₄、电容C₇组成，其异或门的输出端接单稳态电路的触发端-TR，其一端入端与方波发生器的输出端和I_c13的D端相接；异或门的另一输入端接I_c13的Q，I_c12的Q接I_c13的CP端，I_c12的触发端TR接本装置的电源地端，I_c12的T₁、T₂端之间接C₇，而T₁端接本装置电源地端，T₂端通过W₄接本装置正电源，I_c13的R、S端接本装置电源地端、I_c13的Q端通过R₁₁与T₂的基极相接。