一种高精度低成本的高频交流阻抗检验电路及方法与流程

1.本发明涉及一种阻抗检验方法，特别是一种高精度低成本的高频交流阻抗检验电路及方法。


背景技术：

2.目前市面上有很多公司研发的经颅直流电刺激设备，大多设备最大输出电压
±
18v左右，输出电流在
±
100—
±
5000ua范围。设备内部为恒流源，可在最大输出电压范围内输出一种或多种电流波形。在刺激过程中如果电极与头皮接触不充分，局部电流增大，将会造成皮肤灼伤。因此，经颅电刺激设备中需要实时检测电极与头皮的接触阻抗，如果发现阻抗增大到一定程度，就需要立即切断输出，避免皮肤灼伤。通过计算电极片与皮肤的接触阻抗，检测电极与头皮接触情况。经颅电刺激技术有多种形式的刺激，其中有直流刺激、交流刺激、噪声刺激等，传统的阻抗检测无法满足交流刺激或高频刺激的需求。1、目前阻抗检测主要应用于直流刺激模式，在交流或高频刺激方式下会出现较大误差；2、使用现有的阻抗检测方式，如果想对交流或高频刺激有较高精度的检测效果，只能采用高速高精度的器件，这会导致成本大幅增加。因此，现有的技术存在着无法实现低成本高精度的检测阻抗的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种高精度低成本的高频交流阻抗检验电路及方法。本发明能够实现低成本高精度的检测阻抗。
4.本发明的技术方案：高精度低成本的高频交流阻抗检验电路，包括依次相连的主控电路、驱动电路、恒流源电路和阻抗检测及保护电路；
5.主控电路包括自动da模块的mcu，利用mcu自带的da模块直接控制输出不同波形；
6.驱动电路：用于对信号的驱动及放大；
7.恒流源电路：用于产生恒流源；
8.阻抗检测及保护电路包括检流电路、模拟开关电路和阻抗检测电路；检流电路用于检测输出电流是否正常；阻抗检测电路用于实时检测输出阻抗值。
9.一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法，分别求得阻抗检测电路中阴极和阳极之间的电压v以及流过阴阳极之间的电流i；然后利用公式
①
求得阻抗r，
10.r＝v/i...................
①
。
11.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，阴阳极之间的电流i与检流电路中的检流电阻流过的电流i相同，通过计算检流电路中的检流电阻流过的电流i即可得到流过阴阳极之间的电流i；
12.检流电阻流过的电流的计算方法为：通过mcu分别测得5次检流电阻输入和输出两端的电压，并求平均分别得v1与v2，且已知检流电阻的阻值为1k，利用公式
②
计算得到i，
13.i＝(v1-v2)/1k..........
②
。
14.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，阴极和阳极之间的电压v的计算公式如公式
③
所示，
15.v＝v2-(vref)......
③
；
16.其中，vref为阴极电极端的电压值，初始值为-15v，随后每次上电都进行一次vref的电压检测。
17.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，vref的电压检测方法为：
18.关闭恒流源；mcu控制引脚(mcu_control)一直为低电平，使得4路模拟开关d2-s2、d3-s3处于闭合，d1-s1、d4-s4断开，通路上的所有电压都相等，此时的vref＝v20，v20为在关闭恒流源时检流电阻输出端的电压；通过mcu检测v20的电压值，取5次求平均值，即得到vref值。
19.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，在恒流源刺激下，v1与v2的检测过程：
20.1)mcu控制恒流源产生周期性交流半波，在阴、阳极之间产生双向交流波形，mcu采用双缓存 dma方式，控制恒流源产生第一个半波，而且mcu_control端为低电平，在阴、阳极之间产生一个正向交流半波电流；当第一个半波输出完成，mcu_control端反转成高电平，同时mcu控制恒流源生成第二个半波；周期性反复，在阴、阳极之间会产生连续的正弦波；
21.2)mcu产生半波数据时，dac通过dma方式在timer的驱动下一个点一个点输出到dac引脚，来控制恒流源输出，当dma输出数据到一半时，也就是100个点时，半波处于最大值，此时会自动产生一个半波完成中断，mcu在此中断处理函数中会开启adc的双通道dma方式循环检测v1、v2值，最终得到v1值和v2值。
22.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，mcu采用双缓存 dma方式是指：通过mcu模块控制恒流源产生周期性的交流半波，并将生成的交流半波周期内的200个点的数据存入静态内存中；dac模块通过dma通道获取静态内存中的缓存数据，通过数模转换并在定时器的驱动下将200个点的缓存数据一个点一个点的依次输出到dac引脚，生成相应的正弦波波形。
23.前述的一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法中，每个缓存数据点的输出时间为25us。
24.与现有技术相比，本发明通过合理优化阻抗校验的电路，将其设置成由主控电路、驱动电路、恒流源电路和阻抗检测及保护电路依次相连而成的电路，并配以特定的阻抗检测方法，从而能够在交流高频刺激方式下的低成本高精度的阻抗检测，阻抗误差小(精度能达到5％以内)，成本可以减少到30％。在整个检测过程中，全程采用dma方式，中断方法，可以减少mcu资源开销，且不会影响计算速度以及半波的生成；与此同时，本发明通过在半波处检测v1和v2的值，并通过公式来计算得到交流阻抗，从而可以有效的减小误差，提高检测精度。综上所述，本发明能够实现低成本高精度的检测阻抗。
附图说明
25.图1是本发明的原理框图；
26.图2是恒流源电路和阻抗检测及保护电路的具体电路原理图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
28.实施例。高精度低成本的高频交流阻抗检验电路，构成如图1和2所示，包括依次相连的主控电路、驱动电路、恒流源电路和阻抗检测及保护电路；
29.主控电路包括自动da模块的mcu，利用mcu自带的da模块直接控制输出不同波形；
30.驱动电路：用于对信号的驱动及放大；
31.恒流源电路：用于产生恒流源；
32.阻抗检测及保护电路包括检流电路、模拟开关电路和阻抗检测电路；检流电路用于检测输出电流是否正常；阻抗检测电路用于实时检测输出阻抗值。阻抗位于经颅电刺激设备的阴极和阳极之间，当阴极和阳极分别作用于人体上时，阴极和阳极之间会形成阻抗。
33.一种高精度低成本的高频交流阻抗检验方法，分别求得阻抗检测电路的阻抗两端的阴极和阳极之间的电压v以及流过阴阳极之间阻抗的电流i；然后利用公式
①
求得阻抗r，
34.r＝v/i...................
①
。
35.阴阳极之间的电流i与检流电路中的检流电阻流过的电流i相同，通过计算检流电路中的检流电阻流过的电流i即可得到流过阴、阳极之间的电流i；
36.检流电阻流过的电流的计算方法为：通过mcu分别测得5次检流电阻输入和输出两端的电压，并求平均分别得v1与v2，且已知检流电阻的阻值为1k，利用公式
②
计算得到i，
37.i＝(v1-v2)/1k..........
②
。
38.阻抗两端阴极和阳极之间的电压v的计算公式如公式
③
所示，
39.v＝v2-(vref)......
③
；
40.其中，vref为阴极电极端的电压值，初始值为-15v，随后每次上电都进行一次vref的电压检测。
41.vref的电压检测方法为：
42.关闭恒流源；mcu控制引脚(mcu_control)一直为低电平，使得4路模拟开关d2-s2、d3-s3处于闭合，d1-s1、d4-s4断开，如图2所示，通路为浅色箭头方向，通路上的所有电压都相等，此时的vref＝v20，v20为在关闭恒流源时检流电阻输出端的电压；通过mcu检测v20的电压值，取5次求平均值，即得到vref值。mcu通过在flash中预先存储200点的半波数据，
43.在恒流源刺激下，v1与v2的检测过程：
44.1)mcu控制恒流源产生周期性交流半波，在阴阳极之间产生双向交流波形，mcu采用双缓存(半波数据200个点) dma方式(提高速度)，控制恒流源产生第一个半波，而且mcu_control端为低电平，电流方向见原理图浅色箭头，在阴阳极之间产生一个正向交流半波电流；当第一个半波输出完成，mcu_control端反转成高电平，同时mcu控制恒流源生成第二个半波，电流通路方向为深色箭头的指向；周期性反复，在阴阳极之间会产生连续的正弦波；
45.2)mcu产生半波数据(200个点)时，dac通过dma方式在timer的驱动下一个点一个点输出到dac引脚，来控制恒流源输出，当dma输出数据到一半时，也就是100个点时，半波处于最大值，如图2交流波形t1、t2、t3 t4 t5 t6、t7、t8时刻,此时会自动产生一个半波完成中断，mcu在此中断处理函数中会开启adc的双通道dma方式循环检测v1、v2值，最终得到v1值和v2值；检测完成会产生一个adc检测完成中断，在此中断函数中会根据公式
①②③
计算
处r的值；在整个检测过程中，全程采用dma方式，中断方法，目的是减少mcu资源开销，并不影响计算速度，及半波生成；
46.mcu采用双缓存 dma方式是指：通过mcu模块控制恒流源产生周期性的交流半波，并将生成的交流半波周期内的200个点的数据存入静态内存中；dac模块通过dma通道获取静态内存中的缓存数据，通过数模转换并在定时器的驱动下将200个点的缓存数据一个点一个点的依次输出到dac引脚，生成相应的正弦波波形。
47.每个缓存数据点的输出时间为25us。
48.所诉主控电路部分：包括da模块(mcu自带)，mcu单元，mcu单元主要用于通过接收用户设定的不同波形参数，及输出相应波形和根据反馈的不同状态进行相应控制，为了提高输出波形采样率，本发明采用mcu自带的da模块直接控制输出不同波形；
49.所诉驱动电路，主要包括功率运算放大器及相关电路；其主要用于对信号的驱动及放大；
50.所诉恒流源电路部分，主要包括产生恒流源的驱动电路，控制电路及相关外围电路；
51.所述阻抗检测保护电路,主要包括模拟开关电路、检流电路和阻抗检测电路；检流电路主要用于检测输出电流是否正常，如果检测到输出电流异常大于设定值，设备立即断开电路，发出过流提醒；阻抗检测电路，主要是实时检测输出阻抗值，当检测到异常阻抗值，立即断开电路，发出阻抗异常提醒；
52.一般阻抗计算频率为1hz,即1s一次，最大交流频率200hz，只要交流波形》＝0.5hz,就可以使用此方法满足要求，高频交流波形非常适合本发明的检测方法，完全满足1hz的阻抗计算频率；
53.在高频交流模式下，在半波处时刻的电压采集时间满足要求，具体计算过程如下所示；
54.以最大频率200hz为例，一个周期需要打点400个，平均每个点的时间是(1*1000000/200)/400＝12us,即每个点的时间是12us，半波处的电压稳定时间为12us，adc采集v1,v2时，每采集一次需要15adcclk周期，adcclk＝21mhz，完成一个通道的时间是15/21m＝0.714us,2个通道为1.428us，各个通道连续采集5次，求平均值，需要的时间为7.14us，完全满足采集速度要求。