一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源的制作方法

1.本发明涉及一种差分电流源，特别是一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源。


背景技术：

2.电阻抗成像(eit)作为一种新型全程无损的功能成像技术，近十几年来在医学成像领域受到了广大学者的重视。该技术的原理是：在人体中，不同组织器官在不同频率的安全交流激励电流的作用下，自身会根据不同频率的激励电流表现出不同的电导率，与此同时，同一个组织器官，在正常的生理状态与非正常的生理状态下，即使施加同一频率的安全交流激励电流，其也会产生出不同的电导率。因此在生物体组织器官的电导率发生变化的前提下，会引起被测区域处采集的测量电压也发生相应的变化，所以在这一理论基础的条件下，可以通过测量、采集被测区域处的边界电压，利用与测量条件相适应的图像重构算法，可以较为直观的显示出被测区域内部的物质的大小、位置情况。
3.申请号为202010502414.x的专利公开了一种可调恒流源，其实现了恒流源的自适应调整。申请号为202111169127.2的专利公开了一种便携式电阻抗硬件采集系统，其能够通过电流激励电路实时监测激励电流。由于eit系统要求电流源能够输出电流数值稳定的交流激励电流，电流源也应当具有较高的输出阻抗，但是由于在实验电路中存在寄生电容以及元器件加工精度的原因使得电流源的输出阻抗无法达到理想状态。倘若电流源的输出阻抗达不到较高数值，电流信号将会被输出阻抗分压，导致输出阻抗会跟随负载大小的变化而相应变化，进而电流源失去电流源的属性，与此同时，电流源的输出阻抗也会随着信号频率的上升而降低。在上述情况下，进入电极传感器内部的激励电流会产生相应的变化，改变了eit原理中关于激励电流不变的假设前提。因此，现阶段仍然缺少一种面向电阻抗成像系统且具有较高性能的电流源。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源，包括：电压跟随器、反相器、第一电路模块、第二电路模块和负载；
6.其中，电压跟随器的输入端与反相器的输入端与电压输入信号连接；
7.电压跟随器输出端与第一电路模块的输入端连接；
8.反相器的输出端与第二电路模块的输入端连接；
9.负载与第一电路模块的输出端和第二电路模块的输出端相连。
10.所述第一电路模块和第二电路模块用于稳定输出电流；经过第一电路模块和第二电路模块输出的电压幅值相等，方向相反，且共模成分为0。
11.所述电压跟随器包括：第一电容、第二电容和第一低功耗运算放大器；
12.其中，所述电压跟随器中的第一低功耗运算放大器的正相输入端与电压输入信号v
in
连接，反相输入端与输出端连接且输出第一电压v
in1
；
13.第一电容分别连接地和第一低功耗运算放大器的直流电源正极输入端；
14.第二电容分别连接地和第一低功耗运算放大器的直流电源负极输入端。
15.所述反相器包括：第一电阻、第三电容、第二电阻、第三电阻、第四电容和第二低功耗运算放大器；
16.其中，所述反相器中的第二低功耗运算放大器的正相输入端通过第三电阻与地连接，反相输入端通过第二电阻与电压输入信号v
in
连接，且反相输入端也通过第一电阻与输出端连接且输出第二电压v
in2
；
17.第三电容分别连接地和第二低功耗运算放大器的直流电源正极输入端；
18.第四电容分别连接地和第二低功耗运算放大器的直流电源负极输入端。
19.所述第一电路模块包括：第五电容、第四电阻、第六电容和第三低功耗运算放大器；
20.其中，所述第一电路模块中的第三低功耗运算放大器的正相输入端与第一电压v
in1
连接，反相输入端与地连接；第三低功耗运算放大器的第一引脚和第二引脚与第四电阻连接构成经典howland电路；
21.第五电容分别连接地和第三低功耗运算放大器的直流电源正极输入端；
22.第六电容分别连接地和第三低功耗运算放大器的直流电源负极输入端；
23.第四电阻与负载一端连接。
24.所述第二电路模块包括：第七电容、第五电阻、第八电容和第四低功耗运算放大器；
25.其中，所述第二电路模块中的第四低功耗运算放大器的正相输入端与第二电压v
in2
连接，反相输入端与地连接；
26.第四低功耗运算放大器的第一引脚和第二引脚与第五电阻连接构成经典howland电路；
27.第七电容分别连接地和第四低功耗运算放大器的直流电源正极输入端；
28.第八电容分别连接地和第四低功耗运算放大器的直流电源负极输入端；
29.第五电阻与负载另一端连接。
30.所述负载两端电压幅值相等且方向相反；
31.所述负载两端电压的共模成分为0。
32.所述第三低功耗运算放大器和第四低功耗运算放大器内部电阻值相等。
33.所述第三低功耗运算放大器和第四低功耗运算放大器组成经典howland电路结构。
34.所述第三低功耗运算放大器内部电阻值大于第四电阻的电阻值10倍以上，第四低功耗运算放大器内部电阻值大于第五电阻的电阻值10倍以上。
35.所述电压输入信号v
in
流经电压跟随器后生成第一电压v
in1
，流经反相器后生成第二电压v
in2
，第一电压v
in1
流经第一电路模块后作用于负载生成va，第二电压v
in2
流经第二电路模块后作用于负载生成vb；
36.所述面向电阻抗成像系统的新型差分电流源用于和pc机、fpga主控电路、多路复
用器、低通滤波器以及电极传感器构成便携式的电阻抗成像系统。
37.有益效果：
38.本发明基于面向电阻抗成像系统的新型差分电流源，该电流源结构与差分电路结构进行了结合，使得在理论上负载两端的共模成分为0，因此可以获得无限大的共模抑制比，通过这种方式可以提高测量精度。本发明的输出阻抗较高且电流稳定性较好，有利于提高电阻抗成像系统的精确度。
附图说明
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
40.图1为本发明电路总体结构示意图。
41.图2为本发明电路原理示意图。
42.图3为经典howland电路原理示意图。
43.图4为本发明中第三低功耗运算放大器和第四低功耗运算放大器内部结构示意图。
44.图5为本发明中电阻抗成像系统框图。
45.图6为本发明中的多路复用器连接示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图对本发明作详细说明。
47.如图1所示，一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源，包括：电压跟随器、反相器、第一电路模块a、第二电路模块b和负载51；
48.其中，电压跟随器的输入端与反相器的输入端与电压输入信号连接；
49.电压跟随器输出端与第一电路模块a的输入端连接；
50.反相器的输出端与第二电路模块b的输入端连接；
51.负载51与第一电路模块a的输出端和第二电路模块b的输出端相连。
52.所述电压输入信号v
in
流经电压跟随器后生成第一电压v
in1
，流经反相器后生成第二电压v
in2
，第一电压v
in1
流经第一电路模块a后作用于负载51生成va，第二电压v
in2
流经第二电路模块b后作用于负载51生成vb。
53.所述面向电阻抗成像系统的新型差分电流源用于和pc机、fpga主控电路、多路复用器、低通滤波器以及电极传感器构成便携式的电阻抗成像系统；
54.如图2所示，该面向电阻抗成像系统的新型差分电流源包括电压跟随器、反相器、第一电路模块a、第二电路模块b和负载51；所述电压跟随器包括第一电容11、第二电容12和第一低功耗运算放大器13，第一低功耗运算放大器13的正相输入端与输入信号连接，反相输入端与输出端连接且输出第一电压v
in1
；所述电压跟随器中的第一电容11分别连接地和第一低功耗运算放大器13的直流电源正极输入端，第二电容12分别连接地和第一低功耗运算放大器13的直流电源负极输入端；所述反相器包括第一电阻21、第三电容22、第二电阻23、第三电阻24、第四电容25和第二低功耗运算放大器26，第二低功耗运算放大器26的正相输入端通过第三电阻24与地连接，反相输入端通过第二电阻23与输入信号连接，与此同时，
反相输入端也通过第一电阻21与输出端连接且输出第二电压v
in2
；所述反相器中的第三电容22分别连接地和第二低功耗运算放大器26的直流电源正极输入端，第四电容25分别连接地和第二低功耗运算放大器26的直流电源负极输入端；所述第一电路模块a包括第五电容31、第四电阻32、第六电容33和第三低功耗运算放大器34，第三低功耗运算放大器34的正相输入端与第一电压v
in1
连接，反相输入端与地连接，第三低功耗运算放大器34的引脚35和引脚36与第四电阻32连接构成经典howland电路，第五电容31分别连接地和第三低功耗运算放大器34的直流电源正极输入端，第六电容33分别连接地和第三低功耗运算放大器34的直流电源负极输入端；所述第二电路模块b包括第七电容41、第五电阻42、第八电容43和第四低功耗运算放大器44，第四低功耗运算放大器44的正相输入端与第二电压v
in2
连接，反相输入端与地连接，第四低功耗运算放大器44的引脚45和引脚46与第五电阻42连接构成经典howland电路，第七电容41分别连接地和第四低功耗运算放大器44的直流电源正极输入端，第八电容43分别连接地和第四低功耗运算放大器44的直流电源负极输入端；所述负载51分别与第四电阻32和第五电阻42连接。
55.本电路将经典howland电流源结构与差分电路结构进行了结合。该结构基于差分电路以及howland电路，当信号v
in
进入该电路后即将此信号分为上下两路信号，由于在实际应用中输入信号存在内阻，故将上方的一路信号通过电压增益为1的放大电路以达到隔离的作用，即使得此部分电路的输入阻抗为无穷大、输出阻抗为无穷小以保证信号v
in1
达到精准的目的，下方的一路信号经过反相器后变为与输入信号完全相反的余弦波信号同时也是使得此部分电路的输入阻抗为无穷大、输出阻抗为无穷小以保证信号v
in2
达到精准的目的。在连接负载端，通过差分结构将负载的正端与负端相连，使得负载的左右两端电压满足：
[0056]va
＝-vbꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
这样在理论上负载两端电压的共模成分即为：
[0058][0059]
经典howland电流源的电路原理图，如图3所示，电压输入信号经过r1与放大器反相输入端相连，r3与反相输入端和输出端相连，r
41
和r
42
连接正相输入端和输出端，r2和r
l
连接正相输入端和r
41
、r
42
中间点，对该电路图分析可知输出电流i
out
的表达式为：
[0060][0061]
该表达式的平衡条件为：
[0062][0063]
此时的输出电流为：
[0064][0065]
如图4所示，为第三低功耗运算放大器和第四低功耗运算放大器内部结构，引脚2和引脚5均与反相输入端经过25kω电阻连接，引脚3和引脚1均与正相输入端经过25kω电阻连接。
[0066]
将图4与图3进行对照可知，r1、r2、r3和r
41
的阻值均为25kω，r
42
是阻值为1kω的取样电阻，此时的计算关系如下：
[0067][0068][0069]
在实际工程中，当两者阻值差达到10倍以上时，可认为此时较小数值产生的影响可以忽略不计，此时式(7)可改写为：
[0070][0071]
在上述前提下，此时该电路的输出电流为：
[0072][0073]
如图5所示，电阻抗成像系统具体包括pc机61，dac模块62、adc模块63和64、io口模块65和66、差分电流源模块71、低通滤波器模块72和73、多路复用器模块81和传感器模块91。
[0074]
如图6所示，多路复用器模块采用的是四块max396芯片。该芯片的no1～no16均为双向的模拟信号输入端，com端是与no1～no16相连的公共端口，当no1～no16中的任意某个通道为打开状态时，其会与com端接通，而剩下的通道则与com端之间呈现出高组态的状态。u1和u2构成一组且用于经过差分电流源模块的二级发生信号的流动，u3和u4构成一组且用于一级回收信号的流动，其中u1的com端与新型差分电流源的输出端相连用于向多路复用器模块中注入二级发生信号，其中u2的com端与新型差分电流源的地相连以构成二级发生信号的回路。与此同时，u1和u2中的逻辑地址输入端(a0～a3)分别与开发板中的dio0_n～dio3_n相连以选择二级发生信号的流动通道，u3和u4的逻辑地址输入端(a0～a3)分别与开发板中的dio7_p～dio4_p相连以选择一级回收信号的流动通道，同时u3的com端经由hp(high potential)与开发板的input1相连，u4的com端经由lp(low potential)与开发板的input2相连。
[0075]
本实施例中，首先对新型差分电流源进行性能验证，除了验证传统的输出阻抗值，还将以下从三个方面验证：输入信号幅值大小对输出信号性能的影响、输入信号频率大小对输出信号性能的影响和负载大小对输出信号性能的影响。首先选择1khz到200khz的21个频带比较输出阻抗，此时选定输入电压信号幅值为1v，新型差分电流源的平均输出阻抗为3.5599mω，经典howland电流源的输出阻抗为1.0193mω，提升率为249.25％。在测试输入信号幅值大小对输出信号性能的影响实验中，固定电压频率为110khz，外接负载为1kω，输入信号幅值为0.5v～1v。由于第四电阻32和第五电阻42均为1kω，所以负载两端电压幅值与输入电压幅值(v
l
/v
in
)应当相等。实验测得v
l
/v
in
的平均值为1.05668，变化量为0.05668。在测试信号频率大小对输出信号性能的影响时，将输入电压信号的幅值固定为1v，外接负载为1kω，将输入信号的频率从1khz逐步变化至240khz，此时经过负载的电流有效值应当为0.707ma。实验测得经过负载的电流平均值为0.74ma，变化量为0.033。在测量负载大小对
输出信号性能的影响时，将输入信号的电压幅值固定为1v，频率固定为110khz，与此同时逐步增大外接负载的阻值。由于第四电阻32和第五电阻42均为1kω，因此负载电压与负载阻值(v
l
/r
l
)大小应当相等，实验测得v
l
/r
l
的平均值为1.0084，变化量为0.0084。
[0076]
在水槽传感器中倒入400ml自来水并静置10min，该圆柱形水槽直径20cm，高度10cm，在水槽的内壁处等距离设有8个电极，电极由铜片制成，厚度为0.2mm，长度为30mm，宽度为15mm。将fpga主控电路与pc机(61)置于同一网络下并将两者通过wifi口连接，首先通过“clear all”以及“close all”指令结束上段程序中的所有命令，其次将ip地址输入为“192.168.31.103”，此ip地址与本文实验室中的wifi网络的ip地址相同，port定义为5000，而后选择输入信号以及输出信号的长度均为16384*32。通过数据输出系统控制fpga主控电路中的dac62模块产生幅值为2v和频率为110khz的正弦电压信号(一级发生信号)：打开信号输出通道，程序命令为“gen:rst”；该信号经由1号输出口输出，程序命令为“sour1”；将输出信号定义为正弦信号，程序命令为“func sine”；该正弦信号的频率为110khz，电压峰峰值为2v，程序命令分别为“freq:fix 110000”以及“volt 1”。通过rohde&schwarz示波器观察到一级发生信号经过新型差分电流源转换为有效值为0.694ma、频率为110khz的电流信号(二级发生信号)。通过通道控制系统控制fpga主控电路中的io口模块65和66通断，进而控制多路复用器中的io口通断以选择电流经过多路复用器81的顺序。首先需要选择数字输出口，程序命令为“dig:pin:dir out,diox_y”，其中“x”可使用的数字为0～7，“y”可使用的端口为“n”和“p”，分别对应fpga主控电路中n端和p端的0～7号数字输出口。需要使数字输出口输出高电平时，程序命令为“dig:pin diox_y,1”；需要使数字输出口输出低电平时，程序命令为“dig:pin diox_y,0”，此次使用相邻法采集电压信号。电流经过多路复用器81作用于电极传感器91中的两个相邻电极上，这两个相邻电极作为激励电极对使得目标内部产生电场，剩余电极对所感应到的电压信号经过多路复用器遵循io口的通断逻辑依次进入低通滤波器72和73内，而后进入fpga主控电路中的adc模块63和64转换为数字信号并存储在pc机61中。在数据采集模块中，需要预先开启信号采集通道，程序命令为“acq:rst”，与该预先命令相对应的信号采集执行程序命令为“acq:start”。在基于本发明的eit系统中，使用了两个通道进行信号采集，故在信号采集程序中，需要明确指出采用哪个通道进行信号采集，程序命令为“acq:trig chx_pe”，其中“x”分别可用“1”以及“2”替换，即分别对应fpga主控电路的input1以及input2通道。在本模块的程序编写中，需要考虑在每个周期的循环采集中，是否真实采集到了电压信号，倘若在一个周期中没有采集到电压信号，即会在pc机61中显示“td”以提醒研究人员目前明没有采集到电压信号，程序命令为“trig_rsp＝query(tcpipobj,'acq:trig:stat以及“strcmp('td',trig_rsp(1:2))”。为了更加直观的观察到每个周期内采集到的电压信号的波形情况，在本模块的程序编写中将波形图通过图形呈现，程序命令为“str2num(signal_str(1,2:length(signal_str)-3))”，与此同时，为了便于后续对于电压信号的处理，也通过程序输出了电压波形的有效值数值，程序命令为“[max(signal_num)-min(signal_num)]/2/sqrt(2)”。当此段电压采集完成后，通道控制系统按照顺时针或者逆时针的逻辑顺序控制下一对相邻电极作为激励电极对使得目标内部产生电场，剩余电极对继续重复上述过程，直到循环采集结束。将目标物体放入水槽传感器中并静置5min，而后重复上述过程。pc机61将两组电压信号整合后输送给图像重构系统，利用广义矢量模式匹配法获得目标物体的电阻抗成像图。
[0077]
本发明提供了一种面向电阻抗成像系统的新型差分电流源的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。