CN109361379A - 一种基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源，包括PWM控制电路、隔离电路、信号调理电路、两个功率开关、正电源、负电源和电磁层析成像激励线圈。其中，PWM控制电路，产生的PWM控制信号，经过隔离电路和信号调理电路，得到两路PWM信号；两个功率开关为场效应管，前半周期PWM信号和后半周期PWM信号分别与第一功率开关和第二功率开关的栅极相连；第一功率开关的漏极与正电源相连，源极与激励线圈一端相连，第二功率开关的源极与负电源相连，漏极与激励线圈的同一端相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种过程层析成像激励源，特别是一种基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源。
背景技术
电磁层析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)技术是一种基于电磁感应原理的电学过程成像技术，其利用线圈阵列作为其传感器。线圈可用作激励或检测。当某一(或多个)线圈作为激励时，将其通入交变电流，此时线圈附近区域产生交变电磁场；当在被测场域内放入高电导率或磁导率介质时，检测线圈上的感生电动势会发生变化。通过检测各线圈上的电动势变化，并采用适当的图像重建算法，可推导出被测场域内高导电率或者磁导率介质的分布。由于其具有非侵入、不接触、对人体无害等优势，已经被用于工业及生物医学成像。
激励信号源是电磁层析成像系统中重要的一个环节，其优劣直接决定系信号噪声比，乃至最终成像结果的质量。现有的信号源多通过商用信号发生器或直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)芯片实现，其输出的电压信号经功率放大器之后，施加于激励线圈。由于功率放大器的功率所限，通常需要给负载线圈串接限流电阻。
解放军第四军医大学焦明克等人采用输出频率、幅值可调的信号函数发生器AFG3022作为激励信号(焦明克,秦明新,梁文文,等.新型MIT激励源和最佳激励线圈的设计与实现[J].生物医学工程学杂志,2009(2):234-238.)。其采用内部参考频率源对其同步校准，提高了输出频率的准确度，这种方法虽然幅值频率可调，但信号发生器体积很大，限制了系统的灵活性，不利于系统的一体化。SWatson等人采用10MHz，带有温度补偿的晶体振荡器作为激励信号(Watson S,Williams RJ,Gough W,et al.A magnetic inductiontomography system for samples with conductivities below 10 S m-1[J].Measurement Science&Technology,2008,19(4):88-91.)。能为线圈提供100mA有效值的激励电流，但是激励信号的频率和幅值均不可调，因而其应用具有较大局限性。直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分，具有切换时间短、频率分辨率高、低噪声、便于集成等优点，但DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号，且输出信号的频带受限，频率过高时会出现失真现象，某些芯片发热明显。
此外，激励信号源也可由数字信号处理器(如DSP、FPGA等)配合数模转换器件实现。基于现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)的正弦信号发生器，采用知识产权核(Intellectual Property core，IP核)在FPGA内构造DDS模块，频率、幅值调节方便，精度很高，且模块便于复用和移植。
为提高EMT系统的信号噪声比，必须使线圈中的电流足够大。由于激励线圈是典型的感性负载，其阻抗值随频率变化，通常功率放大器带宽有限，也会影响系统的性能。通常对不同频率的激励信号，需要调整限流电阻使其与功率放大器及线圈阻抗相匹配，以使输出最大电流。通常很难在较宽频带内都保持较大的电流输出，影响了EMT系统性能的进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗干扰能力强，易于实现频率、幅值的数控调制且成本较低的电磁层析成像系统激励信号源。本发明直接将较高的正负电压信号施加于线圈两端，使用PWM信号控制其通断，从而在激励线圈内产生以正弦规律变化的交变电流，从而可达提升激励电流的效果。技术方案如下：
一种基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源，包括PWM控制电路、隔离电路、信号调理电路、两个功率开关、正电源、负电源和电磁层析成像激励线圈。其中，
PWM控制电路，用于产生一定周期、占空比随正弦规律变化的PWM控制信号，经过隔离电路和信号调理电路，得到两路PWM信号，一路PWM信号为前半周期PWM信号，另一路PWM信号为后半周期PWM信号；
两个功率开关为场效应管，前半周期PWM信号和后半周期PWM信号分别与第一功率开关和第二功率开关的栅极相连；第一功率开关的漏极与正电源相连，源极与激励线圈一端相连，第二功率开关的源极与负电源相连，漏极与激励线圈的同一端相连；激励线圈另一端处于地电位。
本发明使用PWM信号作为激励源输入，输入信号的稳定性和平滑性较好，参数调节方便，与传统激励源相比，有较高的频率分辨率，易于实现频率、幅值的数控调制。相对于常用的DDS方式，PWM方式的主要优点在于从处理器到被控系统的信号都是数字信号，无需进行数模转换，能进一步提高信号的抗干扰能力，且结构简单，易于实现智能控制。针对EMT电感线圈这种特殊传感器，具有很高的能量转换效率。
附图说明
图1是本发明的基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源原理框图；
图2是本发明的基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源电路连接关系图；
图中：
1、FPGA 2、隔离电路 3、信号调理电路
4、正电源 5、N沟道场效应管 6、线圈
7、N沟道场效应管 8、负电源
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源加以说明。
图1所示为基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源原理框图，由PWM控制电路1、隔离电路2、信号调理电路3、正电源4、两个功率开关5，7、电磁层析成像传感器激励线圈6和负电源8组成。
图2给出了电路连接关系图，其中，PWM控制电路1采用FPGA；隔离电路2采用光耦隔离；信号调理电路3由滞回比较电路、电平转换电路和大电流驱动阵列组成，其中电平转换电路只作用于后半周期的PWM控制信号；功率开关5、7采用N沟道场效应管；正电源4的电压范围为5V～24V；负电源8的电压范围为﹣5V～﹣24V。
本发明所述的FPGA采用Xilinx公司FPGA；隔离电路2中的U3、U4采用TOSHIBA公司的光耦隔离芯片6N137；信号调理电路3中的滞回比较电路采用Philips半导体公司的74HC14D；电平转换电路部分三极管采用MOSPEC半导体公司的NPN功率三极管2N3055，二极管采用Philips半导体公司的1N4148；大电流驱动阵列采用STMicroelectronics公司的ULN2003；N沟道场效应管QA5和N沟道场效应管QB7采用Alpha&Omega半导体公司的AOD2810。
PWM控制电路1中的FPGA产生周期T、占空比随正弦规律变化的PWM控制信号，采用隔离电路2的光耦隔离后经过信号调理电路3，得到两路PWM信号。前半周期PWM信号与N沟道场效应管QA5栅极相连，后半周期PWM信号与N沟道场效应管QB7栅极相连；N沟道场效应管QA5漏极与正电源4相连，源极与线圈6相连，N沟道场效应管QB7源极与负电源8相连，漏极与线圈6相连；线圈6一端连接两个N沟道场效应管QA5、QB7，另一端处于地电位。
PWM控制电路1中的FPGA产生周期为T、占空比随正弦规律变化的PWM控制信号，高电平电压3.3V，低电平电压为0V。FPGA有两个引脚1、2输出PWM控制信号，两组信号交替输出，前T/2时间内，引脚1输出前半周期PWM控制信号，引脚2输出低电平；后T/2时间内，引脚2输出后半周期PWM控制信号，引脚1输出低电平。
前T/2时间内，由引脚1输出前半周期的PWM控制信号，此处为数字信号，经过光耦隔离将信号的数字端和模拟端隔离，引脚1与隔离电路2的输入端连接，之后进入信号调理电路3。信号调理电路3为常规电路，前半周期PWM控制信号的信号调理电路由滞回比较电路和大电流驱动阵列组成，隔离电路2的输出信号与滞回比较电路外围电路的330Ω电阻一端连接，输出高电平3.3V，低电平0V的PWM信号，滞回比较电路的输出与大电流驱动阵列连接，该信号经过大电流驱动阵列的放大，由IN1处输入场效应管QA5的栅极。前半周期，IN2处始终为零电位，场效应管QB7不导通，负电源8不工作；IN1处有高低电平变化，高电平时，由于场效应管QA5栅极和源极之间的电压达到导通电压，场效应管QA5导通，正电源4加在EMT传感器线圈6上，电能转换成磁能储存在线圈6中；低电平时，场效应管QA5栅极和源极之间的电压达不到导通电压，场效应管QA5不导通，线圈中的磁能转换成电能，在电路中流到电路中的右侧地上释放，由于电感线圈的储能效应，线圈6中的电流连续变化。
后T/2时间内，由引脚2输出前半周期的PWM控制信号，此处为数字信号，经过光耦隔离将信号的数字端和模拟端隔离，引脚2与隔离电路2的输入端连接，之后进入信号调理电路3。后半周期PWM控制信号的信号调理电路由滞回比较电路、电平转换电路和大电流驱动阵列组成。隔离电路2的输出信号与滞回比较电路外围电路的330Ω电阻一端连接，得到高电平3.3V，低电平0V的PWM信号。由于后半周期的供电电源为负电源8，连接在场效应管QB7的源极，要使场效应管QB7导通，需使高电平时栅极与源极之间的电压达到导通电压，低电平时栅极与源极之间的电压要小于导通电压，因此低电平必须是负电压，故需要对后半周期信号进行电平转换。滞回比较电路与电平转换电路连接，输出高电平约为3V，低电平约为-1V的PWM信号。电平转换电路与大电流驱动阵列连接，转换后的信号经过大电流驱动阵列的放大，由IN2处输入场效应管QB7栅极。后半周期时IN1处始终为零电位，场效应管QA5不导通，正电源4不工作；IN2处有高低电平变化，高电平时，由于场效应管QB7栅极和源极之间的电压达到导通电压，场效应管QB7导通，负电源8加在线圈6上，电能转换成磁能储存在线圈6中；低电平时，场效应管QB7栅极和源极之间的电压达不到导通电压，场效应管QB7不导通，电感线圈中的磁能转换成电能，在电路中流到电路中的右侧地上释放，由于电感线圈的储能效应，线圈6中的电流连续变化。
由于PWM信号的占空比按照正弦规律变化，线圈6中的连续激励电流也是正弦电流。要改变激励电流的频率，只需改变FPGA产生的PWM控制信号的周期T，通过修改FPGA内部程序即可完成。在PWM信号作用于场效应管上的每个较小的时间段内，电源接通，加在EMT传感器上的为直流电，不存在前述正弦电压激励时的电阻匹配问题，电压全部加在线圈上；DDS方式激励源，激励频率10kHz时线圈中电流峰峰值最大仅为50mA，本发明中，若取正电源5V，负电源﹣5V，电阻10Ω，电感100uH，激励电流频率10kHz时，通过Multisim仿真得到线圈中的电流峰峰值约为700mA，明显高于DDS方式。
以上对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本发明的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本发明宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于脉宽调制电路的电磁层析成像系统激励信号源，包括PWM控制电路、隔离电路、信号调理电路、两个功率开关、正电源、负电源和电磁层析成像激励线圈。其中，
PWM控制电路，用于产生一定周期、占空比随正弦规律变化的PWM控制信号，经过隔离电路和信号调理电路，得到两路PWM信号，一路PWM信号为前半周期PWM信号，另一路PWM信号为后半周期PWM信号；
两个功率开关为场效应管，前半周期PWM信号和后半周期PWM信号分别与第一功率开关和第二功率开关的栅极相连；第一功率开关的漏极与正电源相连，源极与激励线圈一端相连，第二功率开关的源极与负电源相连，漏极与激励线圈的同一端相连；激励线圈另一端处于地电位。
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