低功率电脉冲发生装置设计

贺笑　蒋伟　王千龙　王洁云　孙林峰　潘思思　黄志强

摘 要：文中设计了一种低功率电脉冲发生装置，包括上位机、数字信号处理器、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路。其中，上位机将控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成4路PWM信号，驱动全桥变换器，全桥变换器的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调、直流偏置可调的输出电压。本装置的设计可应用于生物电子实验领域。

关键词：低功率;电脉冲;不对称移相脉冲;LC滤波;PWM;信号处理

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

在现有技术中，电脉冲发生装置被应用于军事、航空和医疗等领域，但在生物电子实验领域应用最为广泛。一般情况下，利用处理器产生的周期性PWM信号生成电路复杂，信号幅值和偏置调节不灵活、波形稳定性不佳。

参考文献[1]中Petrofsky设计了一种基于微处理器控制产生电流脉冲，输出两相恒流或恒压脉冲的系统，但存在恒压、恒流输出不科学问题。参考文献[2]中Pilla利用电磁辐射原理设计了一种输出射频脉冲，提供频率为1～100 MHz的断续波，但参数不合理。

本文针对现有技术的不足，提出解决方案：利用数字信號处理器进行闭环控制和适当的PWM信号调制，使得脉冲信号幅值可调，直流偏置可调。因此可提供一种可产生一路幅值可调，直流偏置可调的低功率电脉冲发生装置，该装置可以很好地解决上述问题。同时，该装置具有成本低、操作简单、应用范围广等优点。

1 低功率电脉冲发生装置总体设计方案

本文采取的总设计方案：提供一种低功率电脉冲发生装置，该脉冲发生装置包括上位机、数字信号处理器、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路。上位机经由数字信号处理器、驱动电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路通过信号调理电路连接数字信号处理器，全桥逆变电路、信号采集调理电路、数字信号处理器、驱动电路形成闭环控制。文中设计的低功率电脉冲发生装置结构如图1所示。

上位机将偏置电压和最大电压值输入数字信号处理器;数字信号处理器如dsPIC系列单片机控制输出的脉冲宽度调制（PWM）;驱动电路将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT;全桥逆变电路如直流电经电压型单相全桥逆变电路和LC滤波电路产生交流电;信号调理电路将采样的交流电压调理后输出至数字信号处理器。

上位机将控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成4路PWM信号，驱动全桥变换器，全桥变换器的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调、直流偏置可调的输出电压。

2 低功率电脉冲发生装置建模、控制

该发生装置驱动电路采用MIC4605驱动芯片，输入信号为两对PWMIL，PWMIH和PWM2L，PWM2H信号，由本地数字信号处理器经计算产生，接入两块MIC4605驱动芯片来分别驱动两对桥臂。全桥逆变电路如图2所示。利用开关电路的通、断控制，将直流电变为交流电：直流电源接至开关电路的输入端，开关电路的输出端电压经LC滤波后输出交-直流混合叠加的电压波形。

数字信号处理器输出电压控制框图如图3所示。输出电压控制和不对称移相脉冲调制算法采用输出电压闭环反馈控制系统，改变相控整流的起始相位角φ与S1的脉冲宽度D，实现不对称移相脉冲调制;在数字信号处理器中进行上位机的控制信号与信号调理电路的电压采样信号的正反馈调节，以实现电压控制。

数字信号处理器的PWM调制和控制算法生成的4路PWM信号驱动Sl，S2，S3，S4，其中，Sl（S4）与S2（S3）的驱动信号互补，Sl，S4和S2，S3周期性的改变通、断状态，周期为T，Sl无起始相位角脉冲宽度为D，且0≤D≤1;S4有起始相位角φ，脉冲宽度为T/2，且。

当移相角φ一定，占空比D变化时，输出的交流电压峰峰值不变;当脉宽D不变时，移相角φ对电脉冲的峰值有明显影响。由此可知，改变PWM起始相位角φ和改变PWM整流的脉宽D，很容易实现输出交流电压的峰值和偏置量的独立控制。PWM整流脉宽D的范围为0≤D≤0.5，若要产生交流电，移相角φ的范围不再是0≤φ/（2π）≤1/2，而是随着移相角φ的增大呈线性递增变化;PWM整流脉宽在D≥1/2的范围内时，移相角φ不受PWM整流脉宽D的影响。

3 实验与分析

低功率电脉冲发生装置实验硬件电路平台由主电路、副主电路、驱动电路、全桥逆变电路、保护模块、信号采集电路、继电器等组成。平台系统样机如图4所示。

系统的输入采用直流电源17 V（变压器采用EI型号220 V-17 V，20 VA，50 Hz）作为系统的输入电源。实验输出的波形如图5所示。

图6中的PWM调制算法可用图7所示的波形解释：情况1所述为D<φ/2π的情况下输出电压均为负值或无输出，不能满足要求;情况2所述为φ/2πφ/2π+1/2情况下输出交流电，且输出电压的正脉宽很大。结合情况2和情况3，只要脉冲宽度D与起始相位角φ满足D>φ/2π，就能满足要求输出交直流混合的电压波形。

图6、图8所示为脉冲宽度D与起始相位角φ的关系。图6所示，当移相角不变时，脉宽D对电脉冲的影响几乎不变;图8所示，当脉宽D不变时，移相角φ对电脉冲有影响。由此可见，改变S4的相位角φ和Sl的脉冲脉宽D可以实现输出幅值可调节，直流偏置正负赋值可调的输出电压。图8中一族曲线的拐点确定了在不同Sl占空比D的情况下，有效S4移相角φ的移相范围，即最大值为每条曲线的拐点。

本文基于dsPIC系列单片机提出了一款实用性强、易操作的低功率电脉冲发生装置。本设计的最大优势在于应用数字信号处理器调节脉冲宽度、脉冲移相角，使得脉冲信号的偏置、幅值产生变化。

4 结 语

本文提出的低功率电脉冲发生装置是以单片机芯片为核心的模块，多层次、多方位将嵌入式、电子电路和现代医疗技术相融合。实现了具有实用性、高效性、针对性的医疗设备，为现代医疗自动化的未来发展打下了坚实基础。本文提出的输出低功率电脉冲的理念，不仅可以为低功率治疗仪的发展提供重要参考，更为电刺激医疗设备的发展和进步提供了宝贵的实例经验。

参考文献

[1] S H PETROFSKY. Electrical stimulation therapy method and apparatus：US 5974342 A [P].1998.

[2] V IYER， A A PILLA， W L WASSERMAN. Apparatus and method for therapeutically treating human body tissue with electromagnetic radiation：US，US5723001 A [P].1998.

[3]陆为民，卢宁.生物学[M].上海：复旦大学出版社，2005.

[4]蔡建新，张成真.生物医学电子学[M].北京：北京大学出版社，1997.

[5]谢永林，王溶泉.医疗机械学[M].北京：人民军医出版社，1999.

[6]罗安奇.常用医疗诊断电子仪器[M].南京：南京大学出版社，1995.

[7]朱枫，熊长征.宽平顶脉冲形成网络放电特性研究[J].物联网技术，2017，7（5）：46-49.

[8]行海，欧阳娴，刘百玉，等.高功率激光装置中超快电脉冲发生器的研究[J].光子学报，2007（5）：777-779.

[9]刘辉，刘百玉，白永林，等.整形高功率激光装置的任意电脉冲发生器设计[J].中国光学，2011（1）：60-65.

[10]韩飞.高功率磁致超声脉冲发生器研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2016.