CN113899940A - 一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，包括：前级小电流采样电路与功能性刺激器的输出端连接，功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号经过采样电阻，通过检测经过采样电阻的输出信号以实现实时采集窄脉冲小电流信号；后级信号处理电路与前级小电流采样电路连接，前级小电流采样电路与后级信号处理电路中的ADC采样电路连接，对由前级小电流采样电路输出的采集的窄脉冲小电流信号进行量化处理，将量化的后数据进行缓存、预处理和格式打包，并通过ADC采样电路进行采样，以平均的方法来降低系统白噪声，生成ADC数据发送至上位机，由上位机对数据进行分析实时绘制窄脉冲小电流信号的波形，并自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数。

Description

一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统

技术领域

本发明涉及功能性电刺激技术领域，特别涉及一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统。

背景技术

功能性电刺激(FES)技术是一种使用人体能够适应的脉冲电流刺激失去神经控制或者神经控制不完善的肌肉，从而使肌肉产生收缩力以便逐步替代或矫正器官及肢体的功能，进而恢复甚至重建人体适应外界环境的能力的方法。该技术已广泛用于各种肌肉骨骼系统疾病的治疗，包括增强肌力、缓解痉挛、逆转关节的挛缩和粘连、矫正脊柱侧弯等，治疗应用可以改善或阻止残疾状态的进一步发展。其核心功能单元是通过安全有效的安全的方法使截瘫患者可以通过有顺序，有规律的刺激，控制肌肉来实现功能性运动，用以实现代替或矫正肢体和器官已丧失的功能。在刺激神经肌肉的同时，也刺激传导神经，加上不断重复的运动模式信息，传入中枢神经系统，在皮层形成兴奋痕迹，逐渐恢复原有的运动机能。

功能性电刺激FES是一种康复技术，它使用电流刺激神经来诱发肌肉收缩，目的是产生功能性的运动。结合先进的多通道FES控制技术和智能控制系统，构建模式化、节律性、智能化的康复机器人系统。向多组目标肌肉或肌群的周围神经发送与患者运动相适应的同步程序化低频电刺激，控制肌肉来实现上下肢的周期性运动，改善肌群的力量和质量，达到运动功能重建的目标。

功能性电刺激输出的以周期重复出现的电流或电压脉冲称为脉冲电流，它或是以同一方向出现，或是以正、负交替变换方向出现。通过整流从交流电中得到的脉冲电流也称为“脉动直流电流”以及“脉动直流电压”。其输出的波形特点是电压高、脉宽窄、输出电流小、双极性变换，在临床医学领域需要直接作用到人体上，需要输出波形稳定，安全可靠。

在功能性电刺激技术开发领域需要对电刺激输出的电流、频率、电压和脉宽等参数进行验证，保证设计开发的正确性。电刺激输出的波形、频率、电压和脉宽参数可以通过在标准测试负载端用示波器采集信号直接测量出，能够满足设计开发的需求。但是，电刺激器输出的窄脉冲电流一般的脉宽为50～500us，持续时间非常短；输出电流一般为1～100mA，周期变化占空比小，且输出毫安级的脉冲型交流电流。常用的窄脉冲测量方法有如下几种：

(1)万用表直接测量法：采用传统的万用表只能做直流测试，且需断开连接线，万用表测试直流分量精度满足要求，但是无法测量这种交流型窄脉冲小电流。

万用表直接测量法存在如下缺陷：采用传统的万用表只能做直流测试，且需断开连接线串接到被测系统中，采用直流档直接测量直流小电流能够满足要求，但是万用表的交流档位输入信号带宽窄，响应慢，无法测量这种快速变化的交流型窄脉冲小电流。

(2)示波器间接测量法：采用高精度示波器电流探头通过电磁耦合进行非接触测量，要求电流探头的量程要在5A以内，量程大的电流探头精度分辨率太低，可以测试到几十毫安的持续小电流是没有问题的。

示波器间接测量法存在如下缺陷：一般的高精度示波器电流探头通过电磁耦合进行非接触测量，可以测试到几十毫安的持续小电流是没有问题的，但是测试这种窄脉冲的小电流很难精确捕捉到，尤其是测量到10mA以下的小电流，通用的电流探头无能为力，且要求电流探头的量程要在5A以内，量程大的电流探头精度分辨率太低，即使通过示波器和高精度电流探头能测试到几十毫安的电流，对示波器和探头的性能和精度要求都很高，成本非常高昂。

(3)差分方式测量法：由于作用于人体的电刺激脉冲需要双极性输出，通过交替波形来中和体内的电荷平衡，缓解肌肉疲劳，通过差分方式测量施加在标准测试负载的双极性波形，获取标准负载两端的电压差，再除以标准负载的阻值即可得到窄脉冲电流值。

差分方式测量存在如下缺陷：通过差分方式测量施加在标准测试负载的双极性波形，获取标准负载两端的电压差，载除以标准负载的阻值即可得到窄脉冲电流值，是由示波器的测量误差、标准电阻参数和测试环境等干扰因素无法精确测试10mA以下的窄脉冲电流，要求示波器在测试时尽可能选用小量程，而且要设置成高分辨率模式打开带宽限制功能以减少噪声的影响，在几十毫安级一般只有10％的精度，但是一般的功能性电刺激输出的电压在几十伏到200V，采用这种方式对测试设备会造成潜在的损害。

(4)电流耦合器间接测量法：采用电流耦合器测量类似用示波器的电流探头进行测量，通过后端的采样和数据处理单元读出数据。

电流耦合器间接测量法存在如下缺陷：电流耦合器间接测量法需要适配后端的高精度采样电路和数据处理单元，主要受到耦合器本身带宽的影响，微秒级的窄脉冲电流可能捕捉不掉，且需要对耦合器进行标定校准，该方法也无法满足当前的测试需求。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，包括：前级小电流采样电路和后级信号处理电路，其中，所述前级小电流采样电路与功能性刺激器的输出端连接，所述功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号经过采样电阻，通过检测经过采样电阻的输出信号以实现实时采集功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号；所述后级信号处理电路与所述前级小电流采样电路连接，所述前级小电流采样电路与所述后级信号处理电路中的ADC采样电路连接，用于对由所述前级小电流采样电路输出的采集的窄脉冲小电流信号进行量化处理，然后将量化的后数据进行缓存、预处理和格式打包，并通过ADC采样电路进行采样，以平均的方法来降低系统白噪声，生成ADC数据发送至上位机，由所述上位机对数据进行分析实时绘制窄脉冲小电流信号的波形，并自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数。

进一步，所述前级小电流采样电路包括：采样电阻、第一增益电阻、第二增益电阻、第一高带宽运算放大器、第二高带宽运算放大器、第一三极管、第二三极管、电压比较器，其中，所述采样电阻的两端与功能性电刺激器连接，所述采样电阻的正极端与所述第一增益电阻的一端连接，所述第一增益电阻的另一端与所述第一高带宽运算放大器的正极连接；所述采样电阻的负极端与所述第二增益电阻的一端连接，所述第二增益电阻的另一端与所述第二高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一高带宽运算放大器的负极端与所述第二高带宽运算放大器的正极端连接，所述第二高带宽运算放大器的负极端与所述第一高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一高带宽运算放大器的输出端与电压比较器的正极端连接，所述第二高带宽运算放大器的输出端与所述电压比较器的负极端连接，所述第一高带宽运算放大器的输出端进一步与第一二极管的正极端连接，所述第一二极管的负极端与所述第一三极管的基极连接，所述第二高带宽运算放大器对的输出端进一步与第二二极管的正极端连接，所述第二二极管的负极端与所述第二三极管的基极连接，所述电压比较器的输出端通过光耦隔离输出至下级电路；所述第一三极管的集电极与所述第一高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的集电极与第二高带宽运算放大器的正极端连接。

进一步，所述前级小电流采样电路还包括隔离放大器，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极的中间连接抽线处与所述隔离放大器的正极端连接，用于对输出的信号进行放大、滤波抑制高频干扰，实现前端测量电路与后端采集电路的电气隔离。

进一步，所述前级小电流采样电路还包括外置拨码开关和调压电阻网络，所述外置拨码开关与所述调压电阻网络连接，所述调压电阻网络与所述隔离放大器的正极端连接，利用所述外置拨码开关设置多档输出信号的量程档位，每拨一档对应一档输出信号Vout的量程范围，根据Vout的量程范围对应得到采集电流Is的量程范围。

进一步，所述前级小电流采样电路还包括旁路电容，所述旁路电容与所述调压电阻网络并联连接，以滤除噪声干扰信号。

进一步，所述前级小电流采样电路封装在密闭的铝壳中。

进一步，所述后级信号处理电路包括：高速处理器、ADC采样电路、DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路，其中，所述ADC采样电路与高速处理器连接，所述高速处理器进一步与DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路连接。

进一步，所述后级信号处理电路还包括：FLASH存储器，所述FLASH存储器与所述高速处理器连接。

进一步，所述上位机自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数，包括：波形、电流幅值、脉宽和频率。

进一步，所述上位机接收用户通过串口设置的下位机的采样率、采样深度、触发时间、增益调节的配置参数。

根据本发明实施例的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，实现实时测量FES脉冲输出窄脉冲小电流的幅值、脉宽、频率和周期等关键参数。该电路采用小电流采样技术和高速数字信号处理技术为核心，实时采集测试FES输出的波形特性，满足系统开发过程中的各项核心参数指标的测试需求。相比基于传统测试设备的方法，简化了功能性电刺激设备开发过程中的测试系统复杂度，提高了测试的准确度和实时性，通过更换不同的前级信号调理电路模块，可以满足多种应用场景测试需求。且该电路成本可控，电路逻辑清晰。为了保证系统稳定可靠的运行，本发明采用了信号隔离与噪声抑制技术，提高输入、输出和电源的电气隔离特性，防止了有害的尖峰脉冲干扰，保证信号指令稳定，提高了系统的安全性和可靠性。即，本发明采用电气安全隔离技术，抗干扰能力强，具有低成本、小型化、高精度、强实时性、安全可靠的特点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统的结构图；

图2为根据本发明实施例的测试的目标电刺激波形图；

图3为根据本发明实施例的前级小电流信号采样电路的原理框图；

图4为根据本发明实施例的后级信号处理电路的原理框图；

图5为根据本发明实施例的窄脉冲小电流信号的测试结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，包括：前级小电流采样电路1和后级信号处理电路2。图2为根据本发明实施例的测试的目标电刺激波形图。

具体的，前级小电流采样电路1与功能性刺激器的输出端连接，功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号经过采样电阻Rs，通过检测经过采样电阻Rs的输出信号以实现实时采集功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号。

如图3所示，前级小电流采样电路1包括：采样电阻Rs、第一增益电阻Rg1、第二增益电阻Rg2、第一高带宽运算放大器OPA1、第二高带宽运算放大器OPA2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、电压比较器COMP。

在本发明中，采样电阻Rs采用高精度低温票采样电阻，将负载电流信号转换为小电压信号。其中，采样电阻Rs的两端与功能性电刺激器连接，采样电阻Rs的正极端与第一增益电阻Rg1的一端连接，第一增益电阻Rg1的另一端与第一高带宽运算放大器OPA1的正极连接；采样电阻Rs的负极端与第二增益电阻Rg2的一端连接，第二增益电阻Rg2的另一端与第二高带宽运算放大器OPA2的正极端连接，第一高带宽运算放大器OPA1的负极端与第二高带宽运算放大器OPA2的正极端连接，第二高带宽运算放大器OPA2的负极端与第一高带宽运算放大器OPA1的正极端连接，第一高带宽运算放大器OPA1的输出端与电压比较器COMP的正极端连接，第二高带宽运算放大器OPA2的输出端与电压比较器COMP的负极端连接，第一高带宽运算放大器OPA1的输出端进一步与第一二极管的正极端连接，第一二极管的负极端与第一三极管Q1的基极连接，第二高带宽运算放大器OPA2对的输出端进一步与第二二极管的正极端连接，第二二极管的负极端与第二三极管Q2的基极连接，电压比较器COMP的输出端通过光耦隔离输出至下级电路；第一三极管Q1的集电极与第一高带宽运算放大器OPA1的正极端连接，第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的发射极连接，第二三极管Q2的集电极与第二高带宽运算放大器OPA2的正极端连接。

下面对前级小电流采样电路1的工作原理进行说明：

功能性电刺激输出的双向脉冲电流交替通过串联到回路里的高精度采样电阻Rs，产生传感电流Is，即传感电流Is通过传感电阻Rs从RS+流向RS-(反之亦然)。输出电流Iout流过Rg1、Q1还是Rg2、Q2取决于采样电阻Rs中电流的方向，通过方向二极管(第一二极管和第二二极管)设置不允许Q1和Q2同时打开。

如果传感电流Is从Rs+经精密采样电阻Rs流向Rs-，输出端OUT通过输出电阻Rout接地GND。此时，Q2断开，第一高带宽运算放大器OPA1工作，输出电流Iout从第一三极管Q1的发射极流出。由于没有电流流过Rg2，OPA1的反向输入端的电位就等于Rs和Rg2交点的电位；因OPA1的开环增益很大，其正向输入端与反向输入端基本上保持同一电位。所以，第一高带宽运算放大器OPA1的正向输入端的电位也近似等于Rs和Rg2交点的电位。因此，传感电流Is流过Rs所产生的压降就等于输出电流Iout流过Rg1所产生的压降，即

Iout×Rg1＝Is×Rs；

所以，Iout＝(Is×Rs)/Rg1；

Vout＝(Iout×Rout)＝(Is×Rs×Rout)/Rg1；

同理，如果传感电流Is从Rs-经采样电阻Rs流向Rs+，则可得

Vout＝(Is×Rs×Rout)/Rg2；

综合上述两种情况，Rg1＝Rg2，可得输出电压方程

Vout＝(Is×Rs×Rout)/Rg；

其中，Vout——期望的实际输出电压

Is——所传感的实际电流

Rs——精密传感电阻

Rout——输出调压电阻

RG——增益电阻(Rg＝Rg1＝Rg2)。

前级小电流采样电路1还包括外置拨码开关和调压电阻网络，外置拨码开关与调压电阻网络连接，调压电阻网络与隔离放大器的正极端连接，利用外置拨码开关设置多档输出信号的量程档位，每拨一档对应一档输出信号Vout的量程范围，根据Vout的量程范围对应得到采集电流Is的量程范围。

具体来说，本发明所设计的电流增益为：I_Gain＝Rs/Rg，Vout＝I_Gain×Is×Rout。

本发明电路I_Gain采用固定增益，在传感电流Is允许变化范围(－200mA≤Is≤200mA)内，输出电压Vout的变化范围为：－3V≤Vout≤3V，即运放输出的电压满量程±3V。为了保证在小电流信号时的采样精度，通过外置拨码开关和高精度电阻网络构成Rout，每拨一档对应一档Vout的量程范围。

优选的，本发明设计5档量程范围，如最大档位的Rout＝Ra，对应的Vout输出量程范围和采集电流Is的量程范围如下表1所示：

表1拨码档位选择对应的量程范围

输出调压电阻Rout	Vout	Is
			Ra	－3V≤Vout≤3V	－200mA≤Is≤200mA
2Ra	－3V≤Vout≤3V	－100mA≤Is≤100mA
			4Ra	－3V≤Vout≤3V	－50mA≤Is≤50mA
8Ra	－3V≤Vout≤3V	－25mA≤Is≤25mA
			20Ra	－3V≤Vout≤3V	－10mA≤Is≤10mA

方向信号I_dir为集电极开路输出，当电流从Rs+经采样电阻Rs流向Rs-，电压比较器COMP的正端为高电平，负端为低电平，I_dir输出高电平；反之，输出低电平。该信号通过光耦隔离输出至下级电路。

此外，前级小电流采样电路1还包括隔离放大器，第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的发射极的中间连接抽线处与隔离放大器的正极端连接，用于对输出的信号进行放大、滤波抑制高频干扰，实现前端测量电路与后端采集电路的电气隔离。参考图3，Vout信号连接到通过隔离放大器的正端，隔离放大器的负端的Vref设置为0V，输入到下级数字采样电路。采用隔离放大器对输出的信号进行放大、滤波抑制高频干扰，实现前端测量电路与后端采集的电路的电气隔离，保证测试系统安全。

在本发明的实施例中，前级小电流采样电路1还包括旁路电容，旁路电容与调压电阻网络并联连接，以滤除噪声干扰信号。具有来说，由于该电路形式对瞬变电流的响应非常快，所能跟踪的电流的变化频率可达到200kHz。若要减弱由于噪声在输出端产生的干扰，可在输出调压电阻的两端并联一个小电容进行旁路，这一电容的引入不会影响到电路采样的使用性能。需要说明的是，该旁路电容的电容值根据实验选择确定。

在本发明的一个实施例中，为了减少外部电磁环境对测试造成的干扰，将前级小电流采样电路1封装一个密闭的铝壳中。

如图4所示，后级信号处理电路2与前级小电流采样电路1连接，前级小电流采样电路1与后级信号处理电路2中的ADC采样电路连接，用于对由前级小电流采样电路1输出的采集的窄脉冲小电流信号进行量化处理，然后将量化的后数据进行缓存、预处理和格式打包，并通过ADC采样电路进行采样，以平均的方法来降低系统白噪声，生成ADC数据发送至上位机3。

如图4所示，后级信号处理电路2包括：高速处理器、ADC采样电路、DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路，其中，ADC采样电路与高速处理器连接，高速处理器进一步与DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路连接。

具体的，高速处理器采用Zynq系列SoC芯片XCZ030高速处理器，辅以高速ADC采样电路、DDR3存储器、网口通信电路、USB3.0通信电路、电源变换电路和串口通信电路等，实现对前端模拟信号的高速采集并通过网口或者USB3.0接口将采样后的数据传输到上位机3进行显示。

Zynq-7000系列SoC是Xilinx推出的一款全可编程片上系统，该芯片集成了Processing System(一般简称为PS)即为处理器(ARM Cortex A9 MPCore)部分，资源非常的丰富。Programmable Logic(一般简称为PL)即可编程逻辑部分(FPGA)。随着嵌入式系统越来越复杂，功能越来越强大，往往在设计中既需要非常灵活的FPGA，又需要处理器去做控制功能，以及配合操作系统使用。在Zynq-7000中，将FPGA和ARM集成在一个芯片内部，两者之间的通信使用AXI接口通信，带宽可达吉比特。Zynq-7000系列SoC能满足复杂嵌入式系统的高性能、低功耗和多核处理能力要求。核心数据处理电路主要由嵌入式最小核心子系统构成，包括SoC电路、时钟复位电路、配置电路(FLASH)、复位电路、接口电路、电源电路和数据缓存电路构成。

模拟信号采样电路采用高速高精度模拟数字转换芯片AD9634，与其匹配的前端滤波电路和放大调理电路采用超低噪声、低失真、高速差分放大器AD4930。AD9634的采样率最高为250Mbps，量化位宽为12bit，能够满足us级窄脉冲信号变化测采样需求。该芯片的数据和控制信号连接到Zynq芯片的PL端，将量化的后数据进行缓存、预处理和格式打包等。在采样过程中ADC可以通过过采样方式，再平均的方法来降低系统白噪声。同时，该系统通过更换前级电路模块，即可实现电压的测量。

此外，后级信号处理电路2还包括：FLASH存储器，FLASH存储器与高速处理器连接。将量化后的采样数据通过USB3.0接口、千兆以太网等接口传输到上位机3用于测试分析，通过串口接收上位机3的控制指令和返回工作状态参数等信息。

由上位机3对接收到的数据进行分析实时绘制窄脉冲小电流信号的波形，并自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数。具体的，上位机3接收到信号处理电路发送过来的ADC数据，根据需要观察的时间窗口宽度在内存中进行缓存，在软件界面窗口实时绘制波形，通过软件的测量分析功能，自动测量出窄脉冲信号的电信号参数。在本发明的实施例中，窄脉冲小电流信号的电信号参数，包括：波形、电流幅值、脉宽和频率等关键参数信息。

上位机3上安装的软件通过串口通信能够接收用户设置的下位机的采样率、采样深度、触发时间、增益调节等配置参数。

图5为根据本发明实施例的窄脉冲小电流信号的测试波形，该电流信号的脉冲宽度200us、电流大小为20mA、电流输出频率为100Hz的测试结果，通过分析可知在小量程档位窄脉冲电流的相对测量精度能达到±0.5mA，在大量程档位能达到±1mA的相对测量精度，能够满足功能性电刺激技术的开发需求。

在本发明的实施例中，本发明在进行采样前需要进行自动校准，将串接到被测系统中的信号线悬空，设置量程档位，点击上位机3自动校准功能，通过后级信号处理电路2内部的数字信号处理算法，保证采集的信号处在上位机3显示的零附近，然后开始测量。

综上，本发明提出的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，主要解决功能性电刺激输出的波形参数采集与测量，尤其是窄脉冲电流的测试。通过调研该技术指标要满足以下功能性电刺激输出参数的采集与测试需求，该参数覆盖市面上大部分的电刺激器的指标范围，能过作为一种通用的采集测试系统或者方法使用。

被测电刺激的波形参数如下：

波形：双极性平衡方波或者单极性波形；

频率：10～100Hz可调，1Hz步进可调；

电压：20～200V可调，1V步进可调；

电流：0～±140mA可调，1mA步进可调；

脉宽：10～2500us可调，1us步进可调。

本发明主要应用于复杂电刺激输出波形的电流、电压、频率、脉宽和周期等基础参数的测量与采集，尤其电流测量不仅要满足精度要求还要满足脉冲电流的带宽要求。满足临床应用需求的功能性电刺激波形具有高电压、脉宽窄、交流输出等特点，尤其是要求电流输出强度精确可调，且动态变化范围大，目前通用的测量技术很难满足测试功能性电刺激输出信号参数的要求。而该发明基于高精度高带宽小电流采样技术实现功能性电刺激窄脉冲电流采集与测试功能，具有低成本、小型化、应用灵活、实时性强的特点。

根据本发明实施例的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，实现实时测量FES脉冲输出窄脉冲小电流的幅值、脉宽、频率和周期等关键参数。该电路采用小电流采样技术和高速数字信号处理技术为核心，实时采集测试FES输出的波形特性，满足系统开发过程中的各项核心参数指标的测试需求。相比基于传统测试设备的方法，简化了功能性电刺激设备开发过程中的测试系统复杂度，提高了测试的准确度和实时性，通过更换不同的前级信号调理电路模块，可以满足多种应用场景测试需求。且该电路成本可控，电路逻辑清晰。为了保证系统稳定可靠的运行，本发明采用了信号隔离与噪声抑制技术，提高输入、输出和电源的电气隔离特性，防止了有害的尖峰脉冲干扰，保证信号指令稳定，提高了系统的安全性和可靠性。即，本发明采用电气安全隔离技术，抗干扰能力强，具有低成本、小型化、高精度、强实时性、安全可靠的特点。

本发明提供的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，完美地解决了FES激励输出的窄脉冲型小电流测试的难题，根据测量的档位设置精确测量设备输出的波形参数。该技术已经在基于功能型电刺激康复机器人系统开发设计中得到成功应用，保证FES技术在开发验证过程中的准确性和可靠度，保证设计指标与临床医学需求的完美契合，简化测试难度，提高测试精度，加快产品开发进程。同时，该电路系统通过简单的升级前级配置模块和后端的软件，即可满足多种电气指标的实时测试需求、自动化测试需求和智能化测试需求任务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，包括：前级小电流采样电路和后级信号处理电路，其中，

所述前级小电流采样电路与功能性刺激器的输出端连接，所述功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号经过采样电阻，通过检测经过采样电阻的输出信号以实现实时采集功能性刺激器输出的窄脉冲小电流信号；

所述后级信号处理电路与所述前级小电流采样电路连接，所述前级小电流采样电路与所述后级信号处理电路中的ADC采样电路连接，用于对由所述前级小电流采样电路输出的窄脉冲小电流信号进行量化处理，然后将量化的后数据进行缓存、预处理和格式打包，并通过ADC采样电路进行采样，以平均的方法来降低系统白噪声，生成ADC数据发送至上位机，由所述上位机对数据进行分析实时绘制窄脉冲小电流信号的波形，并自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数。

2.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述前级小电流采样电路包括：采样电阻、第一增益电阻、第二增益电阻、第一高带宽运算放大器、第二高带宽运算放大器、第一三极管、第二三极管、电压比较器，其中，所述采样电阻的两端与功能性电刺激器连接，所述采样电阻的正极端与所述第一增益电阻的一端连接，所述第一增益电阻的另一端与所述第一高带宽运算放大器的正极连接；所述采样电阻的负极端与所述第二增益电阻的一端连接，所述第二增益电阻的另一端与所述第二高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一高带宽运算放大器的负极端与所述第二高带宽运算放大器的正极端连接，所述第二高带宽运算放大器的负极端与所述第一高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一高带宽运算放大器的输出端与电压比较器的正极端连接，所述第二高带宽运算放大器的输出端与所述电压比较器的负极端连接，所述第一高带宽运算放大器的输出端进一步与第一二极管的正极端连接，所述第一二极管的负极端与所述第一三极管的基极连接，所述第二高带宽运算放大器对的输出端进一步与第二二极管的正极端连接，所述第二二极管的负极端与所述第二三极管的基极连接，所述电压比较器的输出端通过光耦隔离输出至下级电路；所述第一三极管的集电极与所述第一高带宽运算放大器的正极端连接，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的集电极与第二高带宽运算放大器的正极端连接。

3.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述前级小电流采样电路还包括隔离放大器，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极的中间连接抽线处与所述隔离放大器的正极端连接，用于对输出的信号进行放大、滤波抑制高频干扰，实现前端测量电路与后端采集电路的电气隔离。

4.权利要求3所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述前级小电流采样电路还包括外置拨码开关和调压电阻网络，所述外置拨码开关与所述调压电阻网络连接，所述调压电阻网络与所述隔离放大器的正极端连接，利用所述外置拨码开关设置多档输出信号的量程档位，每拨一档对应一档输出信号Vout的量程范围，根据Vout的量程范围对应得到采集电流Is的量程范围。

5.如权利要求4所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述前级小电流采样电路还包括旁路电容，所述旁路电容与所述调压电阻网络并联连接，以滤除噪声干扰信号。

6.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述前级小电流采样电路封装在密闭的铝壳中。

7.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述后级信号处理电路包括：高速处理器、ADC采样电路、DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路，其中，所述ADC采样电路与高速处理器连接，所述高速处理器进一步与DDR3存储器、网口通信电路、USB通信电路、电源变换电路和串口通信电路连接。

8.如权利要求1或7所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述后级信号处理电路还包括：FLASH存储器，所述FLASH存储器与所述高速处理器连接。

9.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述上位机自动分析测量出窄脉冲小电流信号的电信号参数，包括：波形、电流幅值、脉宽和频率。

10.如权利要求1所述的用于窄脉冲电流的采集与测试电路系统，其特征在于，所述上位机接收用户通过串口设置的下位机的采样率、采样深度、触发时间、增益调节的配置参数。

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