低功率電脈沖發生裝置設計

賀笑　蔣偉　王千龍　王潔云　孫林峰　潘思思　黃志強

摘 要：文中設計了一種低功率電脈沖發生裝置，包括上位機、數字信號處理器、驅動電路、全橋逆變電路和信號采集調理電路。其中，上位機將控制參考值通過脈寬調制信號輸送給數字信號處理器，數字信號處理器通過閉環控制分別生成對應于偏置電壓和交流峰值電壓的調制量，并通過不對稱移相脈沖調制算法生成4路PWM信號，驅動全橋變換器，全橋變換器的輸出信號經LC濾波得到一路幅值可調、直流偏置可調的輸出電壓。本裝置的設計可應用于生物電子實驗領域。

關鍵詞：低功率;電脈沖;不對稱移相脈沖;LC濾波;PWM;信號處理

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

在現有技術中，電脈沖發生裝置被應用于軍事、航空和醫療等領域，但在生物電子實驗領域應用最為廣泛。一般情況下，利用處理器產生的周期性PWM信號生成電路復雜，信號幅值和偏置調節不靈活、波形穩定性不佳。

參考文獻[1]中Petrofsky設計了一種基于微處理器控制產生電流脈沖，輸出兩相恒流或恒壓脈沖的系統，但存在恒壓、恒流輸出不科學問題。參考文獻[2]中Pilla利用電磁輻射原理設計了一種輸出射頻脈沖，提供頻率為1～100 MHz的斷續波，但參數不合理。

本文針對現有技術的不足，提出解決方案：利用數字信號處理器進行閉環控制和適當的PWM信號調制，使得脈沖信號幅值可調，直流偏置可調。因此可提供一種可產生一路幅值可調，直流偏置可調的低功率電脈沖發生裝置，該裝置可以很好地解決上述問題。同時，該裝置具有成本低、操作簡單、應用范圍廣等優點。

1 低功率電脈沖發生裝置總體設計方案

本文采取的總設計方案：提供一種低功率電脈沖發生裝置，該脈沖發生裝置包括上位機、數字信號處理器、驅動電路、全橋逆變電路和信號采集調理電路。上位機經由數字信號處理器、驅動電路連接全橋逆變電路，全橋逆變電路通過信號調理電路連接數字信號處理器，全橋逆變電路、信號采集調理電路、數字信號處理器、驅動電路形成閉環控制。文中設計的低功率電脈沖發生裝置結構如圖1所示。

上位機將偏置電壓和最大電壓值輸入數字信號處理器;數字信號處理器如dsPIC系列單片機控制輸出的脈沖寬度調制（PWM）;驅動電路將單片機輸出的脈沖進行功率放大，以驅動IGBT;全橋逆變電路如直流電經電壓型單相全橋逆變電路和LC濾波電路產生交流電;信號調理電路將采樣的交流電壓調理后輸出至數字信號處理器。

上位機將控制參考值通過脈寬調制信號輸送給數字信號處理器，數字信號處理器通過閉環控制分別生成對應于偏置電壓和交流峰峰值電壓的調制量，并通過不對稱移相脈沖調制算法生成4路PWM信號，驅動全橋變換器，全橋變換器的輸出信號經LC濾波得到一路幅值可調、直流偏置可調的輸出電壓。

2 低功率電脈沖發生裝置建模、控制

該發生裝置驅動電路采用MIC4605驅動芯片，輸入信號為兩對PWMIL，PWMIH和PWM2L，PWM2H信號，由本地數字信號處理器經計算產生，接入兩塊MIC4605驅動芯片來分別驅動兩對橋臂。全橋逆變電路如圖2所示。利用開關電路的通、斷控制，將直流電變為交流電：直流電源接至開關電路的輸入端，開關電路的輸出端電壓經LC濾波后輸出交-直流混合疊加的電壓波形。

數字信號處理器輸出電壓控制框圖如圖3所示。輸出電壓控制和不對稱移相脈沖調制算法采用輸出電壓閉環反饋控制系統，改變相控整流的起始相位角φ與S1的脈沖寬度D，實現不對稱移相脈沖調制;在數字信號處理器中進行上位機的控制信號與信號調理電路的電壓采樣信號的正反饋調節，以實現電壓控制。

數字信號處理器的PWM調制和控制算法生成的4路PWM信號驅動Sl，S2，S3，S4，其中，Sl（S4）與S2（S3）的驅動信號互補，Sl，S4和S2，S3周期性的改變通、斷狀態，周期為T，Sl無起始相位角脈沖寬度為D，且0≤D≤1;S4有起始相位角φ，脈沖寬度為T/2，且。

當移相角φ一定，占空比D變化時，輸出的交流電壓峰峰值不變;當脈寬D不變時，移相角φ對電脈沖的峰值有明顯影響。由此可知，改變PWM起始相位角φ和改變PWM整流的脈寬D，很容易實現輸出交流電壓的峰值和偏置量的獨立控制。PWM整流脈寬D的范圍為0≤D≤0.5，若要產生交流電，移相角φ的范圍不再是0≤φ/（2π）≤1/2，而是隨著移相角φ的增大呈線性遞增變化;PWM整流脈寬在D≥1/2的范圍內時，移相角φ不受PWM整流脈寬D的影響。

3 實驗與分析

低功率電脈沖發生裝置實驗硬件電路平臺由主電路、副主電路、驅動電路、全橋逆變電路、保護模塊、信號采集電路、繼電器等組成。平臺系統樣機如圖4所示。

系統的輸入采用直流電源17 V（變壓器采用EI型號220 V-17 V，20 VA，50 Hz）作為系統的輸入電源。實驗輸出的波形如圖5所示。

圖6中的PWM調制算法可用圖7所示的波形解釋：情況1所述為D<φ/2π的情況下輸出電壓均為負值或無輸出，不能滿足要求;情況2所述為φ/2πφ/2π+1/2情況下輸出交流電，且輸出電壓的正脈寬很大。結合情況2和情況3，只要脈沖寬度D與起始相位角φ滿足D>φ/2π，就能滿足要求輸出交直流混合的電壓波形。

圖6、圖8所示為脈沖寬度D與起始相位角φ的關系。圖6所示，當移相角不變時，脈寬D對電脈沖的影響幾乎不變;圖8所示，當脈寬D不變時，移相角φ對電脈沖有影響。由此可見，改變S4的相位角φ和Sl的脈沖脈寬D可以實現輸出幅值可調節，直流偏置正負賦值可調的輸出電壓。圖8中一族曲線的拐點確定了在不同Sl占空比D的情況下，有效S4移相角φ的移相范圍，即最大值為每條曲線的拐點。

本文基于dsPIC系列單片機提出了一款實用性強、易操作的低功率電脈沖發生裝置。本設計的最大優勢在于應用數字信號處理器調節脈沖寬度、脈沖移相角，使得脈沖信號的偏置、幅值產生變化。

4 結 語

本文提出的低功率電脈沖發生裝置是以單片機芯片為核心的模塊，多層次、多方位將嵌入式、電子電路和現代醫療技術相融合。實現了具有實用性、高效性、針對性的醫療設備，為現代醫療自動化的未來發展打下了堅實基礎。本文提出的輸出低功率電脈沖的理念，不僅可以為低功率治療儀的發展提供重要參考，更為電刺激醫療設備的發展和進步提供了寶貴的實例經驗。

參考文獻

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