专利名称：一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源的制作方法
技术领域：
本发明可应用于测试测量和信息获取技术领域，涉及一种用于电阻抗断层成像的宽带低噪声电流生成装置。
背景技术：
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术是以待测物体内部电阻抗的分布和变化为成像目标的一种新型阻抗检测与成像技术，它通过对待测物体外加一定的安全激励电流(或电压)，测量待测物体表面感应电压(或电流)信号来重构物体内部的阻抗分布。电流驱动电压测量的激励方式，由于其结构简单，精度高被广泛应用于目前的EIT成像系统中。为了减少待测物体阻抗变化对电流源输出激励信号的影响，要求使用的激励源是恒流源，即要求电流源具有极高的输出阻抗。以电阻抗断层成像技术在生物体检测领域应用为例，目前EIT采集系统的工作带宽一般在IKHz IMHz，即可获得IMHz以下的生物体阻抗分布信息，但是生物体高频阻抗分布特性同样也携带了丰富的生理和病理信息，这就需要激励电流源能够输出更高频率的激励信号。但是随着频率的升高，受到集成器件本身性能的限制以及寄生电容和杂散电容的影响，电流源的驱动能力和输出阻抗都会大幅下降， 限制我们获得准确的阻抗特性。同时，根据贴放在对象表面的电极电位信息对测试区域内部阻抗分布进行重构是一个“病态的”逆问题，任何微小的扰动都有可能造成成像结果的巨大差异。所以，具有宽带、低噪声和良好动态性能的电流激励源能够保证成像精度和稳定性。
发明内容
本发明针对现有电流源带宽有限，或带宽较大但低频特性不好的问题，提供一种用于电阻抗成像的电压控制电流源，具有较宽的工作带宽和良好的动态性能。本发明提供的技术方案是一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，包括主控模块、信号生成模块、信号调理模块、电流转换模块、阻抗变换模块和程控开关。其特征在于，主控模块接收外部输入的频率、相位和幅度信息，输出频率控制信号和相位控制信号到信号生成模块，输出幅度控制信号到信号调理模块。信号生成模块将产生的特定频率和相位的电压形式的信号输出到信号调理模块，信号调理模块将从信号生成模块输入的信号进行幅度调整和高频谐波抑制后输出到电流转换模块，电流转换模块将输入的信号转换成电流驱动的信号输出到EIT 系统。主控模块输出程控开关控制信号到程控开关，当输出频率控制信号高于设定值时使程控开关导通，阻抗变换模块与电流转换模块的输出相连通，使电流源的输出阻抗增大；当输出频率控制信号低于设定值时使程控开关截止，阻抗变换模块与电流转换模块的输出断开。作为本发明的进一步改进，信号调理模块包括依次串联的程控增益运放器和低通滤波器，幅度控制信号输出到程控增益运放器。再进一步，信号生成模块是直接数字频率合成器，产生的特定频率和相位的电压形式的信号。再进一步，电流生成模块是Howland电流源，它将信号调理模块输出的电压信号转换成电流形式的激励信号。本发明的有益效果是I)由于加入阻抗变换模块和程控开关，可以补偿高频时寄生电容对电流源的影响，使电流源在输出高频信号时的输出阻抗增大，从而减小了负载变化对输出电流的影响， 有助于获得待测物体高频时的阻抗分布特性。2)通过加入Howland电流源，采用具有更高开环增益的运算放大器，可以获得更大的输出阻抗。
图I是本发明实施例I的原理结构示意图；图2是本发明实施例2的原理结构示意图；图3是本发明阻抗变换模块的某一具体实施方式
；图4是本发明某一实施方式中主控模块的原理流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明。图I是本发明实施例I的原理结构示意图。如图所示，一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，包括主控模块、信号生成模块、信号调理模块、电流转换模块、阻抗变换模块和程控开关。主控模块接收外部输入的频率、相位和幅度信息。主控模块输出频率控制信号和相位控制信号到信号生成模块，输出幅度控制信号到信号调理模块。信号生成模块将产生的特定频率和相位的电压形式的信号输出到信号调理模块，信号调理模块将从信号生成模块输入的信号进行幅度调整和高频谐波抑制后输出到电流转换模块，电流转换模块将输入的信号转换成电流驱动的信号输出到EIT系统。主控模块输出程控开关控制信号到程控开关，当输出频率控制信号高于设定值时程控开关导通，阻抗变换模块与电流转换模块的输出相连通，使电流源的输出阻抗增大；当输出频率控制信号低于设定值时程控开关截止，阻抗变换模块与电流转换模块的输出断开。图2是本发明实施例2的原理结构示意图。如图所示，包括中央控制器，直接数字频率合成器，程控增益运放器，低通滤波器，Howland电流源，通用阻抗变换器。中央控制器采用可编程逻辑器件制作。中央控制器接收外部输入的频率、相位和幅度信息，输出频率控制信号和相位控制信号到直接数字频率合成器。通常，中央控制器从上位机接收用户设定的频率、相位和幅度信息，形成频率控制信号、相位控制信号和幅度控制信号。上述三种控制信号中包括频率控制字、相位控制字和幅度控制字，直接数字频率合成器则根据频率控制信号和相位控制信号产生的特定频率和相位的电压形式的信号输出到程控增益运放器。该过程对本领域的技术人员是公知常识。程控增益运放器接收中央控制器输出的幅度控制信号将从直接数字频率合成器输入的信号进行幅度调整后输出到低通滤波器。低通滤波器将从直接数字频率合成器输入的信号进行高频谐波抑制后输出到Howland电流源， Howland电流源将输入的信号转换成电流驱动的信号输出到EIT系统。中央控制器与程控开关相连，中央控制器根据频率控制信号判断电流转换模块的输出频率，当频率控制信号即频率控制字高于设定值时输出导通的程控开关控制信号使程控开关导通，通用阻抗变换器与Howland电流源的输出相连通，使整个装置的输出阻抗增大；当频率控制信号即频率控制字低于设定值时中央控制器输出截止的程控开关控制信号使程控开关截止，通用阻抗变换器与Howland电流源的输出断开。图3是本发明阻抗变换模块的某一具体实施方式
。阻抗变换模块由通用阻抗变换器构成，负责在电路中等效为一个接地电感，如图所示，包括两个运算放大器OPl和0P2，固定电阻Rl、R3、R41、R42，固定电容C2、可调电阻R5和单刀双掷开关SI。其中可调电阻R5 一端和地相连，另一端和a点相连。电阻R41的一端和a点相连,另一端和单刀双掷开关SI 的K2点相连。电阻R42的一端和a点相连，另一端和单刀双掷开关SI的K3点相连。单刀双掷开关的Kl、K2和K3分别连接电阻R3、R41和R42，用于在R41和R42中选通一路与电阻R3连接。电阻R3的一端和K3相连，另一端和b点相连。电容C2的一端和b点相连，另一端和c点相连。电阻Rl的一端和c点相连，另一端和d点相连。运算放大器OPl的同向输入端和d点相连,反向输入端和b点相连,输出端和K3相连。运算放大器0P2的同向输入端和a点相连，反向输入端和b点相连，输出端和c点相连。在整个装置的输出电流频率较高时，受到寄生电容和杂散电容的影响，输出阻抗会大幅减小，恒流源的输出幅度也会受到影响。弓I入阻抗变换模块与寄生电容谐振，提高电流源高频时的输出阻抗。加入单刀双掷开关S2用来控制电阻R41和R42之间的切换，对输出等效电感值进行粗调。可变电阻R5采用可调电阻，用于对输出电感进行精调。
从图3的输出端d点看进去的等效阻抗Z可由公式(I)表示
Z =~ = JcaL(I)
(IIjcoC2R4)
通用阻抗变换器的等效电感可由公式(2)计算
r -尺I尺3尺5。2⑵
上述两个公式中，电阻R4代表电阻R41或R42，运算放大器OPl和运算放大器0P2 选用JFET运算放大器0PA653，它具有极高的输入阻抗，流入运放输入端的电流极小。在本发明的具体实施方式
中，主控模块首先根据信号频率、相位和幅度信息，形成频率控制字、相位控制字和幅度控制字，然后主控模块通过输出频率控制信号和相位控制信号将频率控制字、相位控制字输出到直接数字频率合成器，通过输出幅度控制信号将幅度控制字输出到程控增益运放器。其中主控模块通过比较频率控制字和设定值，判断整个装置输出的电流频率是否过高，当频率控制字高于设定值，即电流频率过高时，输出闭合程控开关的控制信号，使程控开关导通，通用阻抗变换器与Howland电流源的输出相连通；当频率控制字低于设定值，即电流频率未过高时，输出截止程控开关的控制信号，使程控开关截止，此时，通用阻抗变换器与Howland电流源的输出断开。在本发明的具体实施方式
中，可采用宽带、低噪声电压反馈型运算放大器0PA843 构成Howland电流源，其开环增益高达IlOdB,同时具有很好的动态性能。直接数字频率合成器采用AD9951实现，它根据得到的频率和相位信息形成特定频率和相位的数字信号，并将数字信号转换成模拟电压信号输出。
权利要求
1.一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，包括主控模块、信号生成模块、信号调理模块、电流转换模块、阻抗变换模块和程控开关，其特征在于，主控模块接收外部输入的频率、相位和幅度信息，输出频率控制信号和相位控制信号到信号生成模块，输出幅度控制信号到信号调理模块；信号生成模块将产生的特定频率和相位的电压形式的信号输出到信号调理模块，信号调理模块将从信号生成模块输入的信号进行幅度调整和高频谐波抑制后输出到电流转换模块，电流转换模块将输入的信号转换成电流驱动的信号输出；主控模块输出程控开关控制信号到程控开关，当输出频率控制信号高于设定值时使程控开关导通， 阻抗变换模块与电流转换模块的输出相连通，使电流源的输出阻抗增大；当输出频率控制信号低于设定值时使程控开关截止，阻抗变换模块与电流转换模块的输出断开。
2.根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，其特征在于，信号调理模块包括依次串联的程控增益运放器和低通滤波器，幅度控制信号输出到程控增益运放器。
3.根据权利要求2所述的用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，其特征在于，信号生成模块是直接数字频率合成器。
4.根据权利要求2或3所述的用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，其特征在于，电流生成模块是Howland电流源。
全文摘要
本发明提供一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源，包括主控模块、信号生成模块、信号调理模块、电流转换模块、阻抗变换模块和程控开关。主控模块输出频率和相位控制信号到信号生成模块，输出幅度控制信号到信号调理模块。信号生成模块将产生的特定频率和相位的电压形式的信号输出到信号调理模块，信号调理模块将信号进行幅度调整和高频谐波抑制后输出到电流转换模块，电流转换模块将输入的信号转换成电流驱动的信号输出到EIT系统。在电流源输出频率高于设定值时程控开关导通，则阻抗变换模块与电流转换模块的输出相连通，使电流源的输出阻抗增大。本发明提供的电压控制电流源，具有较宽的工作带宽和良好的动态性能。
文档编号A61B5/053GK102525456SQ201210007179
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者于红旗, 刁节涛, 刘强, 徐晖, 李楠, 王义楠, 聂洪山 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学