皮膚阻抗檢測系統(tǒng)隔離刺激器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：隔離刺激器是皮膚阻抗檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，根據(jù)檢測系統(tǒng)的具體要求，提出一種新型的刺激器設(shè)計方案。該方案采用LM317HV調(diào)整刺激器信號的電壓輸出幅度，最高可達80 V；通過HV632調(diào)整輸出脈沖的寬度和周期，從而實現(xiàn)一個幅度、脈寬和周期均可調(diào)的高壓脈沖發(fā)生器。該刺激器具有操作簡便、性能穩(wěn)定、精度高和脈沖波形好等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于需要高壓可調(diào)脈沖的場合，亦可對其進行擴展，滿足具體的工程需求。

關(guān)鍵詞：刺激器；LM317HV；HV632；高壓脈沖；程控脈沖發(fā)生器；皮膚阻抗檢測系統(tǒng)

中圖分類號：TN78 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)06-165-03

Design and Realization of Isolation Stimulator in Skin Impedance Measurement System

WANG Yuzhong，CHEN Xin

(College of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，350002，China )

Abstract：The isolation stimulator is the most important part of the skin impedance measurement system.According tothe specific requirements of the measurement system，a new design of stimulator has been proposed.The stimulator adopts LM317HV to adjust the amplitude of voltage which is up to 80V，also using HV632 to adjust the pulse width and pulse period，then a high voltage pulse stimulator which amplitude，pulse wide and period are adjustable has been realized.The stimulator has the advantages of easy operation，stable performances，high accuracy and well-shaped pulse waveform.It can be applied to the occasion of adjustable high-voltage pulse，and also can be expanded to meet the special project′s demand.

Keywords：stimulator；LM317HV；HV632；high-voltage pulse；programmable pulse generator；skin impedance measurement system

在皮膚阻抗檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，隔離刺激器的設(shè)計是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。隔離刺激器是整個系統(tǒng)的輸入信號供應(yīng)端，關(guān)系到整個系統(tǒng)能否安全和正常的運行。在測量皮膚阻抗過程中，需要在不同的測量條件下對同一部位或不同部位進行多次測量，而且不同人體的體質(zhì)會有所不同，這就要求設(shè)計的刺激器輸出脈沖信號參數(shù)能夠根據(jù)實際需要進行調(diào)整。

本刺激器是根據(jù)實際檢測系統(tǒng)的要求進行設(shè)計，其信號幅度最高可達80 V，脈寬1 μs精確可調(diào)，脈沖周期亦連續(xù)可調(diào)。主要包括可調(diào)穩(wěn)壓電源設(shè)計和可調(diào)脈沖發(fā)生器的設(shè)計，下面詳細闡述各個部分的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 供電電源的選擇

系統(tǒng)中的電源包括產(chǎn)生高壓脈沖所需的高壓電源和其他電路的供電電源。高壓電源部分需能夠產(chǎn)生高達80 V的電源電壓，采用AC/DC的電源模塊作為高壓供電電源，不僅輸入與輸出之間是相互隔離、不共地，而且大大地減小了體積。如圖1中虛線左側(cè)部分所示，采用ANSJ公司生產(chǎn)的電源模塊HAW40-220S40，將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為+40 V的直流電壓，然后將2片電源模塊串聯(lián)起來構(gòu)成一個+80 V的穩(wěn)壓電源，在串聯(lián)輸出端需加二極管保護電源的輸出部分。另外刺激器中的其他電路所需的供電電壓要求為+5 V，而檢測系統(tǒng)電路中需要±12 V的雙電源供電，所以電路中采用一個DC/DC的電源模塊HDW6-48D12S5，將上述AC/DC電源模塊HAW40-220S40(2)輸出的+40 V直流電壓轉(zhuǎn)換為+5 V單電源輸出和±12 V的雙電源輸出，見圖1中虛線右側(cè)部分。

圖1中所示的整個供電電源電路中有4個地，分別是交流電源地FG，+80 V高壓電源地GND，+5 V電源地COM1和±12V電源地COM2，四者之間相互隔離。

2 可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

為了實現(xiàn)電壓的可調(diào)，電路中采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM317HV^[1，2]高壓三端可調(diào)穩(wěn)壓器芯片實現(xiàn)對電壓的調(diào)整。

2.1 LM317HV的性能特點

LM317HV可在1.2～57 V輸出范圍內(nèi)提供超過1.5 A的電流，只需外接2個電阻，即可設(shè)定其輸出電壓，使得整體電路設(shè)計非常簡單并且穩(wěn)定。另外，其電壓和負載調(diào)整率均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)固定穩(wěn)壓器。

由于LM317HV穩(wěn)壓器是“浮置的”，只要輸入和輸出電壓差不超過芯片所能承受的最大值(60 V)，并且輸出端不短路，就可以穩(wěn)定數(shù)百伏的電源電壓，同時為了避免超負荷使用對芯片造成損壞，設(shè)計中對于壓差的選擇需留出一定的余地。

圖1 供電電源設(shè)計示意圖

2.2 LM317HV的工作原理

如圖2所示，在輸入端(3腳)電壓一定的情況下，輸出端(2腳)的輸出電壓隨著調(diào)節(jié)端(1腳)的電壓的變化而變化。在工作中，其輸出端和調(diào)節(jié)端之間形成1.25 V的基準(zhǔn)電壓VREF；該電壓在電阻R1上產(chǎn)生了恒定電流I1，I1和調(diào)節(jié)端的電流IADJ一同流經(jīng)可調(diào)電阻R2，調(diào)整R2的阻值大小即可改變輸出電壓大小，對應(yīng)的計算公式為：

VOUT=VREF#8226;[JB((]1+R2R1[JB))]+IADJ#8226;R2

圖2 LM317HV工作原理圖

由于輸入與輸出之間的電壓差不能超過60 V，本設(shè)計電路中的輸入電壓為80 V，則其輸出電壓最小值不能低于20 V，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，還應(yīng)該稍微調(diào)高最小輸出電壓。實際電路中R1的取值為240 Ω，R2的固定阻值部分接入4.7 kΩ的電阻，可調(diào)部分采用10kΩ的電位器，這樣其輸出電壓可調(diào)范圍大約為26～78 V，實際電路圖如圖3所示。

為了使可調(diào)電源能夠更加穩(wěn)定地工作，需要在電路中接入電容來進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在調(diào)節(jié)端與地之間接入濾波電容C2，可以阻止紋波電壓被放大，從而獲得高的紋波抑制比。在輸出端接入1 μF的固體鉭濾波電容C3，可避免過沖和振蕩。在接入濾波電容后，應(yīng)該要加接保護二極管D1 和D2，以防止電容通過器件內(nèi)部進行放電，從而損壞穩(wěn)壓器件。

2.3 輸出電壓顯示電路

為了能夠直觀地了解當(dāng)前的輸出電壓大小，有必要對輸出的電壓進行顯示，以方便用戶的使用。對于輸出電壓的顯示，直接采用現(xiàn)成的數(shù)字式直流電壓顯示表頭，其可承受高達200 V的輸入電壓，精度可達0.1 V，且接口電路非常簡單，只需接入上述的5 V的工作電壓，然后將上述可調(diào)電源的輸出端接入即可。

圖3 可調(diào)電源調(diào)節(jié)部分電路圖

3 可調(diào)脈沖發(fā)生器的設(shè)計

為了實現(xiàn)脈沖寬度和周期的可調(diào)，電路中采用美國Supertex公司生產(chǎn)的HV632^[3，5]實現(xiàn)。

3.1 HV632的性能特點

HV632原本是一款32通道，輸出電壓可達80 V的專門為平板顯示設(shè)計的集成驅(qū)動IC，擁有1條8位數(shù)據(jù)總線，通過該數(shù)據(jù)總線可以對脈沖的寬度進行控制。HV632采用HVCMOS技術(shù)，集成了低壓CMOS邏輯和高壓驅(qū)動單元。高壓驅(qū)動單元采用推拉式結(jié)構(gòu)，具有性能穩(wěn)定，開關(guān)速度好等特點，可省去分立元件系統(tǒng)中高壓放大電路的設(shè)計，不僅節(jié)省設(shè)計成本，而且性能更加優(yōu)越，可靠。根據(jù)其眾多的優(yōu)良性能，可將其應(yīng)用于高壓脈沖隔離刺激器的設(shè)計中。

3.2 HV632的工作原理

HV632的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，當(dāng)接收數(shù)據(jù)使能端CSI有效后，8位二進制總線數(shù)據(jù)通過D1～D8存入前級數(shù)據(jù)鎖存器(Data Latch)中。在移位時鐘(Shift Clock)的上升沿和下降沿分別進行鎖存，每16個移位脈沖為1組，可鎖存32組數(shù)據(jù)。然后初始化計數(shù)器信號(Load Count)將所有數(shù)據(jù)同時存入后級的比較器和鎖存器(ComparatorLatch)，輸出的數(shù)據(jù)是在計數(shù)時鐘(Count Clock)的控制下，在比較器中進行比較而實現(xiàn)脈沖寬度的控制。接下來將低壓信號通過電平轉(zhuǎn)換器(L/T)，從而完成高壓脈沖信號輸出。脈沖寬度的控制機制是先將所需脈沖寬度值換算為8位二進制數(shù)值，然后通過8位數(shù)據(jù)總線鎖存到對應(yīng)的Data Latch中，這些數(shù)據(jù)在Count Clock的上升沿和下降沿均與主計數(shù)器中的二進制數(shù)據(jù)進行比較。每次主計數(shù)器從11111111(二進制數(shù)據(jù)，下同)開始進行減計數(shù)，當(dāng)其數(shù)值下降到和Data Latch中鎖存的數(shù)據(jù)相匹配時，輸出信號發(fā)生跳變，即為高電平；計數(shù)器繼續(xù)進行減計數(shù)，由于該計數(shù)器是可逆計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)到00000001時將開始進行加計數(shù)，當(dāng)其數(shù)值與Data Latch中鎖存的數(shù)據(jù)再次匹配時，輸出信號再次發(fā)生跳變，重新變回低電平。如果Data Latch中鎖存的數(shù)據(jù)越大，輸出的高壓脈沖信號中的高電平持續(xù)時間將更長，即脈沖寬度更寬。通過以上的分析，只要對輸入Data Latch的數(shù)據(jù)進行控制，即可實現(xiàn)對輸出脈沖寬度的精確控制。

圖4 HV632內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3.3 可調(diào)脈沖發(fā)生器的設(shè)計

為了利用HV632生成所需參數(shù)的高壓脈沖信號，需要對其輸入控制信號進行相應(yīng)的選擇和設(shè)置。對于脈沖寬度主要是受Count Clock的控制，若其頻率為1 MHz，則脈沖寬度可選范圍為1～255 μs，調(diào)節(jié)精度為1 μs。脈沖周期則等于Load Count信號的周期。

由于皮膚阻抗檢測系統(tǒng)中包括A/D采集卡，該采集卡附帶有16路的開關(guān)量輸出，可利用其中的8路作為8位數(shù)據(jù)總線的輸入信號控制高壓脈沖寬度，軟件程序中首先將輸入的值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，然后開關(guān)量函數(shù)根據(jù)二進制數(shù)值對開關(guān)量輸出端進行置“0”或“1”操作；另外還有一路可編程方波信號輸出，可將其作為Load Count信號來控制高壓脈沖的周期，兩者關(guān)系如圖5所示，軟件程序中脈沖發(fā)生函數(shù)根據(jù)輸入的值來控制脈沖輸出周期。在其他應(yīng)用系統(tǒng)中，也可采用硬件電路構(gòu)成的低壓脈沖發(fā)生器來代替上述脈沖控制信號。另外，對于Count Clock的設(shè)計，可通過選取適合的晶振產(chǎn)生所需信號。對于脈沖幅度的控制，直接將已設(shè)計好的可調(diào)電源輸出的高壓接到HV632的高壓輸入端VPP(23腳)，則HVout輸出脈沖的幅度即為該輸入電源電壓。刺激器整體設(shè)計框圖如圖6所示。

圖5 輸出波形示意圖

圖6 刺激器整體設(shè)計框圖

4 結(jié) 語

本檢測系統(tǒng)隔離刺激器充分利用高速發(fā)展的集成電路代替分立元件電路，不僅減小了體積，而且性能更加穩(wěn)定優(yōu)越。另外HV632芯片集成了高壓驅(qū)動部分不僅降低了高壓電路設(shè)計的復(fù)雜性，而且提高了系統(tǒng)的性能。

在實際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)不同的需求，分別對隔離刺激器脈沖信號的幅度、脈寬和周期這3個參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整，各個參數(shù)的調(diào)整相互獨立、互不干擾。該刺激器具有調(diào)節(jié)直觀簡便、運行穩(wěn)定、精度高以及脈沖波形好等優(yōu)點。同時可將其直接應(yīng)用于多種場合，也可以對其進行改造以滿足其他特殊要求，例如，某些場合需要的脈沖寬度比較寬，可將外部計數(shù)時鐘換成頻率較低的脈沖，或者將外部計數(shù)時鐘進行分頻后再使用。

參考文獻

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作者簡介 王玉忠 男，1982年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，碩士研究生。主要研究方向為信號處理與應(yīng)用。

陳 新 男，1956年出生，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)、圖像處理與網(wǎng)絡(luò)通信。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。