CN208508890U - 利用权电阻网络配合fpga实现精准的波形输出电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，包括第一权电阻网络、第二权电阻网络、第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和芯片U2，所述第一权电阻网络和第二权电阻网络均与芯片U2电连接，第一电压跟随电路接第一权电阻网络的输出端，第二电压跟随电路接第二权电阻网络的输出端。该电路利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，通过FPGA的接口IO1‑接口IO8引脚的不同值，可以在A点输出256种不同的电压(以3.3V为参考电压)，通过第一权电阻网络或第二权电阻网络搭配FPGA实现低成本的波形输出和高精度的频率控制，且每八个FPGA的接口IO就能实现一组波形输出，可实现多路的波形输出且互不干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及低中频治疗仪、干扰电治疗仪等电脉冲输出的治疗设备技术领域，具体为一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路。
背景技术
波形输出是电脉冲治疗类设备的基本，这个部分的设计好坏和精准程度直接影响着整个机器的性能，从而影响着机器的临床治疗效果，而变频技术及差频技术也是此类设备的关键点及核心部分，变频及差频的精准度是关键点。
现在市场上常见的干扰电（干涉波）治疗仪或者其他电脉冲治疗仪的波形输出方式主要有两种控制方式，一种是利用单片机（微控制器）配合DAC（数字模拟转换）芯片实现，另外一种是利用FPGA(可编程逻辑门阵列)配合DAC芯片实现，这两种波形输出的共同的弊端就是高精度的DAC芯片成本昂贵，一般都是十几元-几十元一片不等，此类电脉冲治疗设备一般都是多通道输出（例如本公司的干涉波变频治疗仪就有12路波形输出），如果每一个通道都采用一个DAC芯片做波形输出，那样成本会相当高。另外第一种方案采用单片机做波形输出的弊端就是精准度比较差，因为单片机只能顺序执行命令，如果多个通道同时输出单片机是做不到的，所以利用FPGA做波形输出是最合适的，因此提出一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，具有可输出任意波形，波形完美不变形，输出平率范围大，精度高，多路波形输出不相互干扰的优点，解决了现有技术中不可多个通道同时实现波形输出，精度差，成本高的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，包括第一权电阻网络、第二权电阻网络、第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和芯片U2，所述第一权电阻网络和第二权电阻网络均与芯片U2电连接，第一电压跟随电路接第一权电阻网络的输出端，第二电压跟随电路接第二权电阻网络的输出端；所述芯片U2具有接口IO1-接口IO16，第一权电阻网络包括电阻R2-R18，第一电压跟随电路包括电阻R1、电阻R19，电容C1-C3和运算放大器U1A，第二权电阻网络包括电阻R20-R21、电阻R23-R30和电阻R32-R38，第二电压跟随电路包括电阻R22、电阻R31、电容C4和运算放大器U1B。
优选的，所述芯片U2的接口IO1依次接电阻R2和电阻R1，电阻R2的输出端依次接电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17和电阻R18接地，接口IO2接电阻R4并接电阻R5的输出端，接口IO3接电阻R6接电阻R7的输出端，接口IO4接电阻R8接电阻R9的输出端，接口IO5接电阻R10接电阻R11的输出端，接口IO12接电阻R12接电阻R13的输出端，接口IO7接电阻R14接电阻R15的输出端，接口IO8接电阻R16接电阻R17的输入端。
优选的，所述运算放大器U1A的正极输入端接电阻R1，算放大器U1A的负极输入端接电阻R19接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚4接电容C1接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚3接电容C2接地，电容C2的两端并接电容C3。
优选的，所述芯片U2的接口IO9依次接电阻R20和电阻R22，电阻R20的输出端依次接电阻R21、电阻R24、电阻R26、电阻R28、电阻R30、电阻R33、电阻R35、电阻R37和电阻R38接地，接口IO10接电阻R23并接电阻R24的输出端，接口IO11接电阻R25接电阻R26的输出端，接口IO12接电阻R27接电阻R28的输出端，接口IO13接电阻R29接电阻R30的输出端，接口IO14接电阻R32接电阻R33的输出端，接口IO15接电阻R134接电阻R35的输出端，接口IO16接电阻R36接电阻R37的输入端。
优选的，所述运算放大器U1B的正极输入端接电阻R22，算放大器U1B的负极输入端接电阻R31接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的输出端接电容C4接运算放大器U1A的输出端。
优选的，所述芯片U2为FPGA，FPGA采用DDS。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
本利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，在参考频率时钟的驱动下，DDS模块开始工作；当每来一个参考时钟时，通过DDS的作用输出变化的频率，从而可以实现调频的基本功能，通过FPGA的接口IO1-接口IO8引脚的不同值，可以在A点输出256种不同的电压（以3.3V为参考电压），同理可在B点输出256种不同的电压，通过第一电压跟随电路3和第二电压跟随电路，可实现与后面电路的阻抗匹配，运算放大器U1A和运算放大器U1B将前级和后级的波形做跟随，加大带负载能力，其中C1主要作用为滤波；在第一权电阻网络和第二权电阻网络中，电阻（R1-R38）的成本相对较低，通过第一权电阻网络或第二权电阻网络搭配FPGA就能实现低成本的波形输出和高精度的频率控制，且每八个FPGA的接口IO就能实现一组波形输出，可实现多路的波形输出且互不干扰。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构示意图。
图中：1第一权电阻网络、2第二权电阻网络、3第一电压跟随电路、4第二电压跟随电路、5芯片U2。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，包括第一权电阻网络1、第二权电阻网络2、第一电压跟随电路3、第二电压跟随电路4和芯片U2-5，芯片U2-5为FPGA，FPGA采用了DDS技术，第一权电阻网络1和第二权电阻网络2均与芯片U2-5电连接，第一电压跟随电路3接第一权电阻网络1的输出端，第二电压跟随电路4接第二权电阻网络2的输出端；芯片U2-5具有接口IO1-接口IO16，第一权电阻网络1包括电阻（R2-R18），第一电压跟随电路3包括电阻R1、电阻R19，电容（C1-C3）和运算放大器U1A，第二权电阻网络2包括电阻（R20-R21）、电阻（R23-R30）和电阻（R32-R38），第二电压跟随电路4包括电阻R22、电阻R31、电容C4和运算放大器U1B；芯片U2-5的接口IO1依次接电阻R2和电阻R1，电阻R2的输出端依次接电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17和电阻R18接地，接口IO2接电阻R4并接电阻R5的输出端，接口IO3接电阻R6接电阻R7的输出端，接口IO4接电阻R8接电阻R9的输出端，接口IO5接电阻R10接电阻R11的输出端，接口IO12接电阻R12接电阻R13的输出端，接口IO7接电阻R14接电阻R15的输出端，接口IO8接电阻R16接电阻R17的输入端；运算放大器U1A的正极输入端接电阻R1，算放大器U1A的负极输入端接电阻R19接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚4接电容C1接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚3接电容C2接地，电容C2的两端并接电容C3；芯片U2-5的接口IO9依次接电阻R20和电阻R22，电阻R20的输出端依次接电阻R21、电阻R24、电阻R26、电阻R28、电阻R30、电阻R33、电阻R35、电阻R37和电阻R38接地，接口IO10接电阻R23并接电阻R24的输出端，接口IO11接电阻R25接电阻R26的输出端，接口IO12接电阻R27接电阻R28的输出端，接口IO13接电阻R29接电阻R30的输出端，接口IO14接电阻R32接电阻R33的输出端，接口IO15接电阻R134接电阻R35的输出端，接口IO16接电阻R36接电阻R37的输入端；运算放大器U1B的正极输入端接电阻R22，算放大器U1B的负极输入端接电阻R31接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的输出端接电容C4接运算放大器U1A的输出端。
该利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，芯片U2-5即FPGA通过接口IO与第一权电阻网络1和第二权电阻网络2相连，通过输出1或0控制第一权电阻网络1和第二权电阻网络2的输出，所以时八位输出，每个接口IO有0和1两种状态，所以8个引脚就有256种状态，每种状态不停的变化就能够描述一个波形的不同点，不同点的不停变化就形成了一个波形，而这个变化的快慢就是形成不同的频率，不同频率的变化就形成和变频技术核心，FPGA采用了DDS技术，使得FPGA输出输出能够实现精准的频率变化，DDS是直接数字频率合成技术的简称，DDS的结构主要由相位累加器、波形存储器、数模(D/A)转换器和低通滤波器等四个大的结构组成，相位累加器是由N位加法器与N位累加寄存器构成，它是DDS模块中一个极其重要的部分。在参考频率时钟的驱动下，DDS模块开始工作；当每来一个参考时钟时，累加器就把频率控制字FW与寄存器输出的值进行累加，将相加后的结果再输入到寄存器中，而累加寄存器就将在上一个参考时钟作用时产生的数据通过反馈的方式输送到累加器中。这样，在时钟的作用下，就可以不停的对频率控制字进行累加。此时，用相位累加器输出的数据作为地址在波形存储器中通过查找地址所对应的幅值表，就可以完成其从相位到幅值之间的转化，在DDS中，输出频率的公式为;
输出信号的频率分辨率为：
从上两式可以看出，在参考信号与加法器或寄存器的位数给定时，信号最终的输出频率主要由频率控制字决定，故当频率控制字变化时，输出频率也跟着变化，从而可以实现调频的基本功能，通过FPGA的接口IO1-接口IO8引脚的不同值，可以在A点输出256种不同的电压（以3.3V为参考电压），同理可在B点输出256种不同的电压，通过第一电压跟随电路3和第二电压跟随电路4，可实现与后面电路的阻抗匹配，运算放大器U1A和运算放大器U1B将前级和后级的波形做跟随，加大带负载能力，其中C1主要作用为滤波；在第一权电阻网络1和第二权电阻网络2中，电阻（R1-R38）的成本相对较低，通过第一权电阻网络1或第二权电阻网络2搭配FPGA就能实现低成本的波形输出和高精度的频率控制，且每八个FPGA的接口IO就能实现一组波形输出，可实现多路的波形输出且互不干扰。
综上所述：本利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，在参考频率时钟的驱动下，DDS模块开始工作；当每来一个参考时钟时，通过DDS的作用输出变化的频率，从而可以实现调频的基本功能，通过FPGA的接口IO1-接口IO8引脚的不同值，可以在A点输出256种不同的电压（以3.3V为参考电压），同理可在B点输出256种不同的电压，通过第一电压跟随电路3和第二电压跟随电路4，可实现与后面电路的阻抗匹配，运算放大器U1A和运算放大器U1B将前级和后级的波形做跟随，加大带负载能力，其中C1主要作用为滤波；在第一权电阻网络1和第二权电阻网络2中，电阻（R1-R38）的成本相对较低，通过第一权电阻网络1或第二权电阻网络2搭配FPGA就能实现低成本的波形输出和高精度的频率控制，且每八个FPGA的接口IO就能实现一组波形输出，可实现多路的波形输出且互不干扰，整体波形可以任意，波形完美不变形，输出频率范围大精度高，多路波形输出不干扰等非常适合实现电脉冲治疗仪和干扰电（干涉波）治疗仪中的波形输出部分，这样就可以让治疗仪的治疗效果更好，竞争力更高。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，包括第一权电阻网络（1）、第二权电阻网络（2）、第一电压跟随电路（3）、第二电压跟随电路（4）和芯片U2（5），其特征在于，所述第一权电阻网络（1）和第二权电阻网络（2）均与芯片U2（5）电连接，第一电压跟随电路（3）接第一权电阻网络（1）的输出端，第二电压跟随电路（4）接第二权电阻网络（2）的输出端；所述芯片U2（5）具有接口IO1-接口IO16，第一权电阻网络（1）包括电阻R2-R18，第一电压跟随电路（3）包括电阻R1、电阻R19，电容C1-C3和运算放大器U1A，第二权电阻网络（2）包括电阻R20-R21、电阻R23-R30和电阻R32-R38，第二电压跟随电路（4）包括电阻R22、电阻R31、电容C4和运算放大器U1B。
2.根据权利要求1所述的一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，其特征在于，所述芯片U2（5）的接口IO1依次接电阻R2和电阻R1，电阻R2的输出端依次接电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17和电阻R18接地，接口IO2接电阻R4并接电阻R5的输出端，接口IO3接电阻R6接电阻R7的输出端，接口IO4接电阻R8接电阻R9的输出端，接口IO5接电阻R10接电阻R11的输出端，接口IO12接电阻R12接电阻R13的输出端，接口IO7接电阻R14接电阻R15的输出端，接口IO8接电阻R16接电阻R17的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，其特征在于，所述运算放大器U1A的正极输入端接电阻R1，算放大器U1A的负极输入端接电阻R19接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚4接电容C1接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的脚3接电容C2接地，电容C2的两端并接电容C3。
4.根据权利要求1所述的一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，其特征在于，所述芯片U2（5）的接口IO9依次接电阻R20和电阻R22，电阻R20的输出端依次接电阻R21、电阻R24、电阻R26、电阻R28、电阻R30、电阻R33、电阻R35、电阻R37和电阻R38接地，接口IO10接电阻R23并接电阻R24的输出端，接口IO11接电阻R25接电阻R26的输出端，接口IO12接电阻R27接电阻R28的输出端，接口IO13接电阻R29接电阻R30的输出端，接口IO14接电阻R32接电阻R33的输出端，接口IO15接电阻R134接电阻R35的输出端，接口IO16接电阻R36接电阻R37的输入端。
5.根据权利要求1所述的一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，其特征在于，所述运算放大器U1B的正极输入端接电阻R22，算放大器U1B的负极输入端接电阻R31接运算放大器U1A的输出端，运算放大器U1A的输出端接电容C4接运算放大器U1A的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种利用权电阻网络配合FPGA实现精准的波形输出电路，其特征在于，所述芯片U2（5）为FPGA，FPGA采用DDS。
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