專利名稱：一種用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源的制作方法
技術領域：
本發明可應用于測試測量和信息獲取技術領域，涉及一種用于電阻抗斷層成像的寬帶低噪聲電流生成裝置。
背景技術：
電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技術是以待測物體內部電阻抗的分布和變化為成像目標的一種新型阻抗檢測與成像技術，它通過對待測物體外加一定的安全激勵電流(或電壓)，測量待測物體表面感應電壓(或電流)信號來重構物體內部的阻抗分布。電流驅動電壓測量的激勵方式，由于其結構簡單，精度高被廣泛應用于目前的EIT成像系統中。為了減少待測物體阻抗變化對電流源輸出激勵信號的影響，要求使用的激勵源是恒流源，即要求電流源具有極高的輸出阻抗。以電阻抗斷層成像技術在生物體檢測領域應用為例，目前EIT采集系統的工作帶寬一般在IKHz IMHz，即可獲得IMHz以下的生物體阻抗分布信息，但是生物體高頻阻抗分布特性同樣也攜帶了豐富的生理和病理信息，這就需要激勵電流源能夠輸出更高頻率的激勵信號。但是隨著頻率的升高，受到集成器件本身性能的限制以及寄生電容和雜散電容的影響，電流源的驅動能力和輸出阻抗都會大幅下降， 限制我們獲得準確的阻抗特性。同時，根據貼放在對象表面的電極電位信息對測試區域內部阻抗分布進行重構是一個“病態的”逆問題，任何微小的擾動都有可能造成成像結果的巨大差異。所以，具有寬帶、低噪聲和良好動態性能的電流激勵源能夠保證成像精度和穩定性。

發明內容
本發明針對現有電流源帶寬有限，或帶寬較大但低頻特性不好的問題，提供一種用于電阻抗成像的電壓控制電流源，具有較寬的工作帶寬和良好的動態性能。本發明提供的技術方案是一種用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，包括主控模塊、信號生成模塊、信號調理模塊、電流轉換模塊、阻抗變換模塊和程控開關。其特征在于，主控模塊接收外部輸入的頻率、相位和幅度信息，輸出頻率控制信號和相位控制信號到信號生成模塊，輸出幅度控制信號到信號調理模塊。信號生成模塊將產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號輸出到信號調理模塊，信號調理模塊將從信號生成模塊輸入的信號進行幅度調整和高頻諧波抑制后輸出到電流轉換模塊，電流轉換模塊將輸入的信號轉換成電流驅動的信號輸出到EIT 系統。主控模塊輸出程控開關控制信號到程控開關，當輸出頻率控制信號高于設定值時使程控開關導通，阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出相連通，使電流源的輸出阻抗增大；當輸出頻率控制信號低于設定值時使程控開關截止，阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出斷開。作為本發明的進一步改進，信號調理模塊包括依次串聯的程控增益運放器和低通濾波器，幅度控制信號輸出到程控增益運放器。再進一步，信號生成模塊是直接數字頻率合成器，產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號。再進一步，電流生成模塊是Howland電流源，它將信號調理模塊輸出的電壓信號轉換成電流形式的激勵信號。本發明的有益效果是I)由于加入阻抗變換模塊和程控開關，可以補償高頻時寄生電容對電流源的影響，使電流源在輸出高頻信號時的輸出阻抗增大，從而減小了負載變化對輸出電流的影響， 有助于獲得待測物體高頻時的阻抗分布特性。2)通過加入Howland電流源，采用具有更高開環增益的運算放大器，可以獲得更大的輸出阻抗。


圖I是本發明實施例I的原理結構示意圖；圖2是本發明實施例2的原理結構示意圖；圖3是本發明阻抗變換模塊的某一具體實施方式
；圖4是本發明某一實施方式中主控模塊的原理流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明。圖I是本發明實施例I的原理結構示意圖。如圖所示，一種用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，包括主控模塊、信號生成模塊、信號調理模塊、電流轉換模塊、阻抗變換模塊和程控開關。主控模塊接收外部輸入的頻率、相位和幅度信息。主控模塊輸出頻率控制信號和相位控制信號到信號生成模塊，輸出幅度控制信號到信號調理模塊。信號生成模塊將產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號輸出到信號調理模塊，信號調理模塊將從信號生成模塊輸入的信號進行幅度調整和高頻諧波抑制后輸出到電流轉換模塊，電流轉換模塊將輸入的信號轉換成電流驅動的信號輸出到EIT系統。主控模塊輸出程控開關控制信號到程控開關，當輸出頻率控制信號高于設定值時程控開關導通，阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出相連通，使電流源的輸出阻抗增大；當輸出頻率控制信號低于設定值時程控開關截止，阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出斷開。圖2是本發明實施例2的原理結構示意圖。如圖所示，包括中央控制器，直接數字頻率合成器，程控增益運放器，低通濾波器，Howland電流源，通用阻抗變換器。中央控制器采用可編程邏輯器件制作。中央控制器接收外部輸入的頻率、相位和幅度信息，輸出頻率控制信號和相位控制信號到直接數字頻率合成器。通常，中央控制器從上位機接收用戶設定的頻率、相位和幅度信息，形成頻率控制信號、相位控制信號和幅度控制信號。上述三種控制信號中包括頻率控制字、相位控制字和幅度控制字，直接數字頻率合成器則根據頻率控制信號和相位控制信號產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號輸出到程控增益運放器。該過程對本領域的技術人員是公知常識。程控增益運放器接收中央控制器輸出的幅度控制信號將從直接數字頻率合成器輸入的信號進行幅度調整后輸出到低通濾波器。低通濾波器將從直接數字頻率合成器輸入的信號進行高頻諧波抑制后輸出到Howland電流源， Howland電流源將輸入的信號轉換成電流驅動的信號輸出到EIT系統。中央控制器與程控開關相連，中央控制器根據頻率控制信號判斷電流轉換模塊的輸出頻率，當頻率控制信號即頻率控制字高于設定值時輸出導通的程控開關控制信號使程控開關導通，通用阻抗變換器與Howland電流源的輸出相連通，使整個裝置的輸出阻抗增大；當頻率控制信號即頻率控制字低于設定值時中央控制器輸出截止的程控開關控制信號使程控開關截止，通用阻抗變換器與Howland電流源的輸出斷開。圖3是本發明阻抗變換模塊的某一具體實施方式
。阻抗變換模塊由通用阻抗變換器構成，負責在電路中等效為一個接地電感，如圖所示，包括兩個運算放大器OPl和0P2，固定電阻Rl、R3、R41、R42，固定電容C2、可調電阻R5和單刀雙擲開關SI。其中可調電阻R5 一端和地相連，另一端和a點相連。電阻R41的一端和a點相連,另一端和單刀雙擲開關SI 的K2點相連。電阻R42的一端和a點相連，另一端和單刀雙擲開關SI的K3點相連。單刀雙擲開關的Kl、K2和K3分別連接電阻R3、R41和R42，用于在R41和R42中選通一路與電阻R3連接。電阻R3的一端和K3相連，另一端和b點相連。電容C2的一端和b點相連，另一端和c點相連。電阻Rl的一端和c點相連，另一端和d點相連。運算放大器OPl的同向輸入端和d點相連,反向輸入端和b點相連,輸出端和K3相連。運算放大器0P2的同向輸入端和a點相連，反向輸入端和b點相連，輸出端和c點相連。在整個裝置的輸出電流頻率較高時，受到寄生電容和雜散電容的影響，輸出阻抗會大幅減小，恒流源的輸出幅度也會受到影響。弓I入阻抗變換模塊與寄生電容諧振，提高電流源高頻時的輸出阻抗。加入單刀雙擲開關S2用來控制電阻R41和R42之間的切換，對輸出等效電感值進行粗調。可變電阻R5采用可調電阻，用于對輸出電感進行精調。
從圖3的輸出端d點看進去的等效阻抗Z可由公式(I)表示
Z =~ = JcaL(I)
(IIjcoC2R4)
通用阻抗變換器的等效電感可由公式(2)計算
r -尺I尺3尺5。2⑵
上述兩個公式中，電阻R4代表電阻R41或R42，運算放大器OPl和運算放大器0P2 選用JFET運算放大器0PA653，它具有極高的輸入阻抗，流入運放輸入端的電流極小。在本發明的具體實施方式
中，主控模塊首先根據信號頻率、相位和幅度信息，形成頻率控制字、相位控制字和幅度控制字，然后主控模塊通過輸出頻率控制信號和相位控制信號將頻率控制字、相位控制字輸出到直接數字頻率合成器，通過輸出幅度控制信號將幅度控制字輸出到程控增益運放器。其中主控模塊通過比較頻率控制字和設定值，判斷整個裝置輸出的電流頻率是否過高，當頻率控制字高于設定值，即電流頻率過高時，輸出閉合程控開關的控制信號，使程控開關導通，通用阻抗變換器與Howland電流源的輸出相連通；當頻率控制字低于設定值，即電流頻率未過高時，輸出截止程控開關的控制信號，使程控開關截止，此時，通用阻抗變換器與Howland電流源的輸出斷開。在本發明的具體實施方式
中，可采用寬帶、低噪聲電壓反饋型運算放大器0PA843 構成Howland電流源，其開環增益高達IlOdB,同時具有很好的動態性能。直接數字頻率合成器采用AD9951實現，它根據得到的頻率和相位信息形成特定頻率和相位的數字信號，并將數字信號轉換成模擬電壓信號輸出。
權利要求
1.一種用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，包括主控模塊、信號生成模塊、信號調理模塊、電流轉換模塊、阻抗變換模塊和程控開關，其特征在于，主控模塊接收外部輸入的頻率、相位和幅度信息，輸出頻率控制信號和相位控制信號到信號生成模塊，輸出幅度控制信號到信號調理模塊；信號生成模塊將產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號輸出到信號調理模塊，信號調理模塊將從信號生成模塊輸入的信號進行幅度調整和高頻諧波抑制后輸出到電流轉換模塊，電流轉換模塊將輸入的信號轉換成電流驅動的信號輸出；主控模塊輸出程控開關控制信號到程控開關，當輸出頻率控制信號高于設定值時使程控開關導通， 阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出相連通，使電流源的輸出阻抗增大；當輸出頻率控制信號低于設定值時使程控開關截止，阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出斷開。
2.根據權利要求1所述的用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，其特征在于，信號調理模塊包括依次串聯的程控增益運放器和低通濾波器，幅度控制信號輸出到程控增益運放器。
3.根據權利要求2所述的用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，其特征在于，信號生成模塊是直接數字頻率合成器。
4.根據權利要求2或3所述的用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，其特征在于，電流生成模塊是Howland電流源。
全文摘要
本發明提供一種用于電阻抗斷層成像的電壓控制電流源，包括主控模塊、信號生成模塊、信號調理模塊、電流轉換模塊、阻抗變換模塊和程控開關。主控模塊輸出頻率和相位控制信號到信號生成模塊，輸出幅度控制信號到信號調理模塊。信號生成模塊將產生的特定頻率和相位的電壓形式的信號輸出到信號調理模塊，信號調理模塊將信號進行幅度調整和高頻諧波抑制后輸出到電流轉換模塊，電流轉換模塊將輸入的信號轉換成電流驅動的信號輸出到EIT系統。在電流源輸出頻率高于設定值時程控開關導通，則阻抗變換模塊與電流轉換模塊的輸出相連通，使電流源的輸出阻抗增大。本發明提供的電壓控制電流源，具有較寬的工作帶寬和良好的動態性能。
文檔編號A61B5/053GK102525456SQ201210007179
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者于紅旗, 刁節濤, 劉強, 徐暉, 李楠, 王義楠, 聶洪山 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學