高壓電場治療儀的製作方法

2023-06-22 01:00:46 1

高壓電場治療儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種高壓電場治療儀，包括：微控制器、模擬控制電路、高壓變換器和電源模塊；微控制器，接收用戶輸入的電壓、頻率和波形控制信號，產生用於控制模擬控制電路產生相應的頻率和電平的模擬低電壓控制信號和波形控制信號；模擬控制電路，接收來自微控制器的模擬低電壓控制信號和波形控制信號；高壓變換器，接收來自模擬控制電路的具有波形的中壓電壓信號轉化為高壓電壓信號輸出；微控制器進一步包括：具有延時單元的相位累加器、相位截斷單元和查找表。本發明可產生多種電脈衝波形和高壓值，不僅用戶可根據自身的需求調節高壓和脈衝波形，而且適用於家用和醫用臨床理療，結構緊湊、功能穩定，方便了普通用戶的日常操作。
【專利說明】局壓電場治療儀

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電場治療儀領域，具體涉及一種高壓電場治療儀。

【背景技術】
[0002] 電場治療儀是通過使用100〇r30000V電壓，創造一種電磁環境，主要是電場環 境，對人體進行調節，保持人體的內環境的綜合平衡，達到治療神經類慢性疾病目的的儀 器。國內目前對於電場治療儀尚無明確分類。電場治療儀通常分為家庭理療用和醫院治療 使用兩種。家庭用電場治療儀所用的電壓一般不高於9000V，而醫院用電場治療儀所用的 電壓一般在9000V到30000V之間。電場治療儀通常由高壓發生器及產生電場的電極等結 構單元組成，一般具有電場波形調節、參數輸入和顯示等功能，但目前市面上在售的電場治 療儀波形產生的種類、高壓產生的種類單一，多數的電場治療儀僅適用於家庭理療用，因此 難以滿足各種用戶的多樣化需求和醫院治療的用途。


【發明內容】

[0003] 本發明提供一種高壓電場治療儀，此高壓電場治療儀可輸出2種以上高壓值的電 場治療儀，可產生多種電脈衝波形和高壓值，不僅用戶可根據自身的需求調節高壓和脈衝 波形，而且適用於家用和醫用臨床理療，滿足多樣化的市場需求；且結構緊湊、功能穩定，方 便了普通用戶的日常操作。
[0004] 為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種高壓電場治療儀，包括：微控制 器、模擬控制電路、高壓變換器和電源模塊； 所述微控制器，接收用戶輸入的電壓、頻率和波形控制信號，產生用於控制模擬控制電 路輸出相應頻率和電平的模擬低電壓控制信號和波形控制信號，此模擬低電壓控制信號用 於調整電場的電壓，波形控制信號用於調整電場的頻率和波形； 所述模擬控制電路，接收來自微控制器的模擬低電壓控制信號和波形控制信號，並將 該模擬低電壓控制信號轉換為模擬中電壓信號，作為變壓器的輸入信號，並向微控制器的 輸入接口提供輸出信號的電平值，同時根據波形控制信號調整電場的頻率和波形； 所述高壓變換器，接收來自模擬控制電路的具有波形的中壓電壓信號轉化為高壓電壓 信號輸出； 所述輸入控制項，接收用戶直接操作輸入的頻率、波形和電壓指令從而形成電壓、頻率和 波形控制信號，將該電壓、頻率和波形控制信號送入微控制器的輸入接口； 所述電源模塊，將交流220V/50HZ變換到直流電壓，為各模塊提供工作電壓； 顯示屏，用於顯示當前高壓電場治療儀的工作狀態，工作狀態包括電壓幅度、頻率和波 形類型； 所述微控制器進一步包括：具有延時單元的相位累加器、相位截斷單元和查找表，輸入 的頻率控制字經相位累加之後，送入相位截斷單元進行處理，處理後的信號作為查找表的 輸入地址進行查表輸出波形信號，當輸出正弦波形時，查找表儲存正弦信號，當輸出矩形波 時，查找表儲存矩形信號，當輸出三角波時，查找表儲存三角波信號； 所述模擬控制電路包括依次串連的第一高速光耦、第一 MOS功率管、2個第二MOS功率 管，一脈衝調製器位於第一運算放大器和第一高速光稱之間，一分壓電阻位於第一 MOS功 率管和第一運算放大器之間，第二運算放大器、第三運算放大器和2個第二高速光耦依次 串連，且2個第二高速光耦分別連接到2個第二MOS功率管上。
[0005] 上述技術方案中的進一步改進方案如下： 1.上述方案中，所述波形類型為矩形波、正弦波、三角波。
[0006] 2.上述方案中，所述高壓變換器將最大幅度為200V的電壓信號變換為9000V或 30kV的電壓信號。
[0007] 3.上述方案中，所述輸入控制項包括電壓控制旋鈕、波形選擇按鈕、高壓輸出按鈕 和頻率控制旋鈕。
[0008] 由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果： 本發明高壓電場治療儀，其不僅實現了輸出高壓可任意調節，工作頻率也可在10Hz? 1kHz任意調節。根據用戶的需要，設備也可選擇三種工作波形：正弦波、方波及三角波。整 個設備採用全塑料盒體，安全性高，即使輸出高壓短接到地，電流也不超過1mA，設備內部設 置了短路保護。設備操作界面簡潔、便利，工作電壓和工作頻率均直接通過設備面板顯示屏 顯示；便於用戶根據自身條件，設定相應的電壓、頻率和波形。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 附圖1為本發明高壓電場治療儀結構原理示意圖； 附圖2為本發明高壓電場治療儀中微控制器波形產生原理示意圖； 附圖3為本發明波形產生程序流程示意圖； 附圖4為本發明模擬控制電路結構示意圖； 附圖5為本發明微控制器與模擬控制電路的DA接口電路示意圖； 附圖6為本發明微控制器與模擬控制電路波形幅度控制信號接口電路結構示意圖。
[0010] 以上附圖中：1、微控制器；2、模擬控制電路；3、高壓變換器；4、電源模塊；5、輸入 控制項；6、顯示屏；7、延時單元；8、相位累加器；9、相位截斷單元；10、查找表；11、第一高速 光耦；12、第一 M0S功率管；13、第二M0S功率管；14、第一運算放大器；15、分壓電阻；16、第 二運算放大器；17、第三運算放大器；18、第二高速光耦；19、第一運算放大器。

【具體實施方式】
[0011] 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述： 實施例：一種高壓電場治療儀，包括：微控制器1、模擬控制電路2、高壓變換器3和電 源模塊4 ; 所述微控制器1，接收用戶輸入的電壓、頻率和波形控制信號，產生用於控制模擬控制 電路2產生相應的頻率和電平的模擬低電壓控制信號和波形控制信號，此模擬低電壓控制 信號用於調整電場的電壓，波形控制信號用於調整電場的頻率和波形； 所述模擬控制電路2，接收來自微控制器1的模擬低電壓控制信號和波形控制信號，並 將該模擬低電壓控制信號轉換為模擬中電壓信號，作為變壓器的輸入信號，並向微控制器1 的輸入接口提供輸出信號的電平值，同時根據波形控制信號調整電場的頻率和波形； 所述高壓變換器3,接收來自模擬控制電路2的具有波形的中壓電壓信號轉化為高壓 電壓信號輸出； 所述輸入控制項5,接收用戶直接操作輸入的頻率、波形和電壓指令從而形成電壓、頻率 和波形控制信號，將該電壓、頻率和波形控制信號送入微控制器的輸入接口； 所述電源模塊4,將交流220V/50HZ變換到直流電壓，為各模塊提供工作電壓； 顯示屏6,用於顯示當前高壓電場治療儀的工作狀態，工作狀態包括電壓幅度、頻率和 波形類型； 所述微控制器1進一步包括：具有延時單元7的相位累加器8、相位截斷單元9和查找 表10,輸入的頻率控制字經相位累加之後，送入相位截斷單元9進行處理，處理後的信號作 為查找表10的輸入地址進行查表輸出波形信號，當輸出正弦波形時，查找表10儲存正弦信 號，當輸出矩形波時，查找表10儲存矩形信號，當輸出三角波時，查找表10儲存三角波信 號； 所述模擬控制電路2包括依次串連的第一高速光耦11、第一 MOS功率管12、2個第二 MOS功率管13, 一脈衝調製器14位於第一運算放大器19和第一高速光稱11之間，一分壓 電阻15位於第一 MOS功率管12和第一運算放大器19之間，第二運算放大器16、第三運算 放大器17和2個第二高速光耦18依次串連，且2個第二高速光耦18分別連接到2個第二 MOS功率管13上。模擬信號接收來自控制器經過LM358處理的v〇ltage_Ctrl信號和DA_ OUT信號，其中v〇ltage_Ctrl信號為電壓控制數位訊號，DA_OUT是包括了頻率和波形的模 擬低壓信號。第二高速光耦起到快速開關作用(通過DA_0UT和i_back信號的比較結果 控制)。如果該比較結果大於光耦的開啟電壓，則光耦為開，否則為關。兩個光耦的輸出端 分別連接兩個功率管的輸入端，M0S功率管起到信號的放大作用，即將該高速光耦的輸出結 果進行放大。
[0012] 上述波形類型為矩形波、正弦波、三角波。
[0013] 上述高壓變換器將最大幅度為200V的電壓信號變換為9000V或30kV的電壓信 號。
[0014] 上述輸入控制項包括電壓控制旋鈕、波形選擇按鈕、高壓輸出按鈕和頻率控制旋鈕。
[0015] 不同於常規控制電路，高電壓治療儀中要實現工作頻率範圍為1Hz?1kHz，掃頻 範圍可達1000倍的矩形波、正弦波、三角波幾種高壓輸出。方案中所使能的微控制器結合 DDS的工作原理，可完成所需的功能需求。具體的工作原理如圖2所示。
[0016] DDS主要分為相位累加器、相位截斷和查找表三個部分。其中，相位累加器包括累 加和延時單元；相位截斷功能是將N位寬數據轉化為N-m位寬數據，以減少查找表地址；查 找表本質上是一個只讀的儲存器R0M，查找表的內容為二進位波形數據，該數據產生的方法 很多，可以通過手工計算輸入，也可通過matlab軟體工具中的函數生成。
[0017] 輸入的頻率控制字經相位累加之後，送入相位截斷單元進行處理，處理後的信號 作為查找表的輸入地址進行查表輸出波形信號。
[0018] 當輸出正弦波形時，查找表儲存正弦信號；當輸出矩形波時，查找表儲存矩形信 號；當輸出三角波時，查找表儲存三角波信號。
[0019] 假設"工作時鐘"，該時鐘為時鐘電路輸入的8MHz時鐘信號，通過微控制器的倍 頻功能進行倍頻後，"頻率控制字"為A，相位累加器的位寬為N，相位截斷位寬為M，查找表 的深度為D，則波形輸出頻率為--，則它們之間的關係如下： A 採用微控制器STM32F103ZET6,其FLASH的容量為512KB，DA的位寬為12,最快 的工作時鐘約為250K，要求產生的頻率為1?1000Hz，則累加器位寬N最小應為： [1呢(2501(/1)]=18，相位截斷位寬採用16位，則3種存儲波形所佔用的空間小於2881?。此 時，微控制器的FLASH容量滿足要求。
[0020] 通過運行於微控制器產生3種波形的具體實現方法為：將歸一化的1個周期正弦、 方波或三角波信號幅度值轉換二進位數據，並將該二進位數據定義為常量數組的方式存儲 在flash中，採用微控制器上所具有的定時中斷功能對常量數組進行逐個查找輸出，即可 產生相應的波形信號。中斷的定時時間即為採樣時間，通過改變該參數，即可改變輸出的信 號的頻率。具體的流程圖如圖4所示。
[0021] 信號波形控制 微控制器通過輸出接口輸出三種波形信號送給"模擬控制電路"的後續處理如圖4所 示。D/A輸出的信號（0?3. 3V)經運放LM358進行正負差分轉換為-3. 3V?3. 3V (輸入的 0對應-3. 3V，3. 3V對應3. 3V)。該信號與初級線圈輸出的以校準輸出高壓信號精度的反饋 信號Iback同運放LM148進行差分比較，當DA的值大於iback信號的值，則輸出高'1'，否 貝 1J，輸出低'〇'。DA和iback比較後的輸出信號，控制高速光f禹A4504輸入端發光二極體的 開啟和閉合，當輸出信號為'1'時，A4504輸出為低'0'，否則為高'1'。
[0022] 在高速光耦輸出信號的控制下，通過兩個IRF840 (IRF840是一個高速信號開關， 當G (源極）為高時通道開啟，信號輸出，當G為低時通道閉合，信號阻塞無信號輸出）輸出 到變壓器的初級，經高壓變換線圈後輸出需要的高壓電壓。一定波形的〇?200V電壓幅度 經100 :4500的變壓器，最終輸出9kV高壓信號或輸入到匝數比為1:150變換線圈的初級， 次級輸出30kV高壓信號。
[0023] 電壓幅度控制 LM358運算放大器將微控制器通過輸出接口和串行DA5615進行電平轉換後輸出的高 壓控制信號（V0LTAGE_CTRL)和模擬控制電路的中壓模擬信號（0?200V)通過電阻R11和 R12分壓後的信號進行比較，輸出高低（'Γ和'0'）脈衝信號。然後，反饋到脈衝調製控制 晶片TL494,產生調製的脈衝信號（具體的調製脈衝信號可參考該晶片的數據手冊)，該調製 脈衝信號用來控制，高速光耦耦合的輸出信號，進一步控制M0S功率管IRF840的輸出電壓 (0?200V)，從而達到所需輸出電壓幅度要求。
[0024] 控制器與模擬控制電路接口 微控制器採用意法半導體的STM32F103ZET6 ARM晶片，通過該晶片的DAC1引腳輸出模 擬波形信號(三種波形信號）至模擬控制電路。同時，通過PA3、PA5和PA7輸出電壓控制信 號，經TLC5615竄行DA轉換信號轉換為模擬votage_ctrl信號，最終控制模擬控制電路的 信號波形幅度（〇?200V)，接口電路分別如圖5和圖6所示。
[0025] 採用上述高壓電場治療儀時，其不僅實現了輸出高壓可任意調節，工作頻率也可 在10Hz?1kHz任意調節。根據用戶的需要，設備也可選擇三種工作波形：正弦波、方波及 三角波。整個設備採用全塑料盒體，安全性高，即使輸出高壓短接到地，電流也不超過1mA， 設備內部設置了短路保護。設備操作界面簡潔、便利，工作電壓和工作頻率均直接通過設備 面板顯示屏顯示；便於用戶根據自身條件，設定相應的電壓、頻率和波形。
[0026] 上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種高壓電場治療儀，其特徵在於：包括：微控制器（1)、模擬控制電路（2)、高壓變 換器（3)和電源模塊（4); 所述微控制器（1)，接收用戶輸入的電壓、頻率和波形控制信號，產生用於控制模擬控 制電路（2)產生相應的頻率和電平的模擬低電壓控制信號和波形控制信號，此模擬低電壓 控制信號用於調整電場的電壓，波形控制信號用於調整電場的頻率和波形； 所述模擬控制電路（2)，接收來自微控制器（1)的模擬低電壓控制信號和波形控制信 號，並將該模擬低電壓控制信號轉換為模擬中電壓信號，作為高壓變換器（3)的輸入信號， 並向微控制器（1)的輸入接口提供輸出信號的電平值，同時根據波形控制信號調整電場的 頻率和波形； 所述高壓變換器（3)，接收來自模擬控制電路（2)的具有波形的中壓電壓信號轉化為 高壓電壓信號輸出； 所述輸入控制項（5)，接收用戶直接操作輸入的頻率、波形和電壓指令從而形成電壓、頻 率和波形控制信號，將該電壓、頻率和波形控制信號送入微控制器的輸入接口； 所述電源模塊（4)，將交流220V/50HZ變換到直流電壓，為各模塊提供工作電壓； 顯示屏（6)，用於顯示當前高壓電場治療儀的工作狀態，工作狀態包括電壓幅度、頻率 和波形類型； 所述微控制器（1)進一步包括：具有延時單元（7)的相位累加器（8)、相位截斷單元（9) 和查找表（10)，輸入的頻率控制字經相位累加之後，送入相位截斷單元（9)進行處理，處理 後的信號作為查找表（10)的輸入地址進行查表輸出波形信號，當輸出正弦波形時，查找表 (10)儲存正弦信號，當輸出矩形波時，查找表（10)儲存矩形信號，當輸出三角波時，查找表 (10)儲存三角波信號； 所述模擬控制電路（2)包括依次串連的第一高速光耦（11 )、第一 MOS功率管（12)、2個 第二MOS功率管（13)，一脈衝調製器（14)位於第一運算放大器（19)和第一高速光耦（11) 之間，一分壓電阻（15)位於第一 MOS功率管（12)和第一運算放大器（19)之間，第二運算放 大器（16)、第三運算放大器（17)和2個第二高速光耦（18)依次串連，且2個第二高速光耦 (18)分別連接到2個第二MOS功率管（13)上。
2. 根據權利要求1所述的高壓電場治療儀，其特徵在於：所述波形類型為矩形波、正 弦波、三角波。
3. 根據權利要求1所述的高壓電場治療儀，其特徵在於：所述高壓變換器將最大幅度 為200V的電壓信號變換為9000V或30kV的電壓信號。
4. 根據權利要求1所述的高壓電場治療儀，其特徵在於：所述輸入控制項包括電壓控制 旋鈕、波形選擇按鈕、高壓輸出按鈕和頻率控制旋鈕。
【文檔編號】A61N1/00GK104208809SQ201410489820
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】楊曉冬, 劉小龍, 張雲, 魏達秀 申請人:楊曉冬, 劉小龍, 張雲, 魏達秀