一种用于输出PWM信号的电路及方法与流程

一种用于输出pwm信号的电路及方法
技术领域
1.本技术涉及电力电子的技术领域，特别涉及一种用于输出pwm信号的电路及方法。


背景技术：

2.射频等离子体手术系统是新一代的低温等离子体手术系统，可用于外科手术的软组织解剖、切除、消融、止血和干燥，可以与内窥镜系统配合进行腔内手术或与影像系统配合开展介入治疗。
3.目前，射频等离子体手术系统工作时需要将直流电压转换为交流脉冲，由于射频等离子体手术系统通常有多个挡位，每一个档位对应着一个直流电压值，为了控制交流脉冲的功率，通常需要采集直流电压值，直流电压值经过a/d转换后输入处理器，处理器根据采集到的直流电压值模拟输出pwm信号，由pwm信号控制交流脉冲的占空比，从而实现对交流脉冲功率的控制。
4.针对上述相关技术，发明人发现，由于adc芯片的数字量输出引脚随着adc芯片的转换精度的增加而增加，例如，8位a/d转换器adc0809有d0-d7共计8个输出引脚，12位a/d转换器ad574a有db0-db11共计12个输出引脚，从而使a/d转换需要占用处理器较多的i/o口，造成处理器i/o口资源的浪费。


技术实现要素：

5.为了节约处理器的i/o口资源，本技术提供了一种用于输出pwm信号的电路及方法。
6.第一方面，本技术提供了一种用于输出pwm信号的电路，采用如下技术方案。
7.一种用于输出pwm信号的电路，包括：处理器，用于接收并响应启动信号，清零并启动计数器；积分电路，用于接收并响应所述启动信号，获取待转换的直流电压信号，并对所述直流电压信号进行积分运算，得到并输出响应电压信号；比较电路，用于接收所述响应电压信号和预设电压阈值，并根据所述响应电压信号的电压值和所述预设电压阈值的比较结果，输出停止信号；所述处理器还接收并响应所述停止信号，停止所述计数器的计数，并根据所述计数器停止时的计数值，输出相应占空比的pwm信号。
8.通过采用上述技术方案，接收到启动信号后，处理器启用计数器功能，清零计数器，从零开始计数；同时，积分电路获取待转换的直流电压信号后，输出随时间线性变化的斜坡波形，该斜坡波形为直流电压信号在积分电路下的响应电压信号；由于响应电压信号的电压值随时间增大，当响应电压信号大于预设电压阈值时，比较电路输出端电平翻转，输出停止信号，处理器接收到停止信号后停止计数器计数；由于直流电压信号的电压值越大，斜坡波形的斜率越大，响应电压信号能够在更小的计数时间内大于预设电压阈值，从而通过计数器的计数值确定直流电压信号的电压值，处理器模拟输出与该电压值对应的pwm信
号，从而控制交流脉冲的占空比，由此控制交流脉冲的功率。本技术中处理器响应启动信号而启用计数器功能，响应停止信号而停止计数器的计数，处理器根据计数器的计数值模拟输出对应的pwm信号，因此，本技术仅需要处理器的两个i/o口，分别用于接收启动信号和停止信号，相比于使用adc芯片，较大程度上减少对处理器i/o口的占用，节约了处理器的i/o口资源。
9.可选的，所述积分电路还包括后级保护电路，所述的后级保护电路用于缩小所述响应电压信号的电压幅值。
10.通过采用上述技术方案，积分电路输出的响应电压信号的幅值会随时间增加至与直流电压信号的幅值相等，由于有多个档位，直流电压信号的电压跨度较大，在高档位时，响应电压信号的幅值增大到一定程度时容易损坏后级电路，因此设置后级保护电路缩小响应电压信号的电压幅值，减少后级电路损坏而引起的系统故障。
11.可选的，所述积分电路包括第一电阻器r1和电容器c，所述第一电阻器r1的一端用于接收所述直流电压信号，所述第一电阻器r1的另一端与所述电容器c的一端连接，所述电容器c的另一端接地；所述第一电阻器r1与所述电容器c连接的一端用于输出所述响应电压信号。
12.通过采用上述技术方案，第一电阻器r1与电容器c构成rc积分电路，由于电容两端电压不能突变，随着对电容器c的充电，电容器c两端的电压逐渐增大，直流电压信号的电压值越大，对电容器c进行充电的充电电流也就越大，电荷在电容器c上聚集的速度也就越快，电容器c两端的电压增大速率越快。
13.可选的，所述后级保护电路包括第二电阻器r2，所述第二电阻器r2并联于所述电容器c的两端。
14.通过采用上述技术方案，第一电阻器r1与第二电阻器r2构成串联分压电路，使得在第一电阻器r1上产生电压降，从而使响应电压信号的电压幅值能够按照分压公式的比例缩小，防止响应电压信号的电压幅值过大而损坏后级电路。
15.可选的，所述积分电路包括第三电阻器r3和电感器l，所述电感器l的一端用于接收所述直流电压信号，所述电感器l的另一端与所述第三电阻器r3的一端连接，所述第三电阻器r3的另一端接地；所述电感器l与所述第三电阻器r3连接的一端用于输出所述响应电压信号。
16.通过采用上述技术方案，电感器l与第三电阻器r3构成rl积分电路，由于电感上电流不能突变，随着对电感器l的充电，电感器l上的电流逐渐增大，直流电压信号的电压值越大，对电感器l进行充电的充电电压也就越大，电感器l上电流增大的速率越快，电流通过第三电阻器r3，使第三电阻器r3两端的电压增大速率也就越快。
17.可选的，所述后级保护电路包括第四电阻器r4，所述第四电阻器r4的一端与所述电感器l连接，所述第四电阻器r4的另一端用于接收所述直流电压信号。
18.通过采用上述技术方案，第三电阻器r3与第四电阻器r4构成串联分压电路，使得在第四电阻器r4上产生电压降，从而使响应电压信号的电压幅值能够按照分压公式的比例缩小，防止响应电压信号的电压幅值过大损坏后级电路。
19.可选的，所述比较电路包括运算放大器a，所述运算放大器a的第一输入端用于接收所述响应电压信号，所述运算放大器a的第二输入端用于接收预设的参考电压vref，所述
运算放大器a的输出端用于输出所述停止信号。
20.通过采用上述技术方案，运算放大器输出端输出的电平取决于其同向输入端与反向输入端所接收的电压的大小，当参考电压vref大于响应电压信号时，运算放大器a输出高电平或低电平；随着响应电压信号逐渐增大，当参考电压vref小于响应电压信号时，运算放大器a输出低电平或高电平，随着时间变化，运算放大器a的输出将会翻转，结合积分电路的特性，直流电压信号的电压值越大，运算放大器a的输出将会在越短的时间内翻转，运算放大器a能够越早的输出停止信号。
21.可选的，所述处理器包括主控cpu。
22.通过采用上述技术方案，使用主控cpu的计数器功能，仅占用了主控cpu的一个中断输入口接收停止信号，根据计数器的计数确定直流电压信号的电压值，从而输出对应的pwm信号。
23.第二方面，本技术提供了一种用于输出pwm信号的方法，采用如下技术方案。
24.一种用于输出pwm信号的方法，应用于上述第一方面所述的电路，包括：接收并响应于启动信号，获取待转换的直流电压信号，以及，清零并启动计数器；基于预设的积分模型，获取所述直流电压信号在所述积分模型下进行积分运算得到并输出的响应电压信号；判断所述响应电压信号的电压值是否大于预设电压阈值，若是，则输出停止信号；基于所述停止信号，所述计数器停止计数，并输出所述计数器的计数值；基于预设的输出模型，根据所述计数器停止时的计数值，输出相应占空比的pwm信号。
25.通过采用上述技术方案，接收到启动信号后，处理器启用计数器功能，计数器清零并从零开始计数，同时，预设的积分模型获取待转换的直流电压信号，并根据积分模型输出与直流电压信号的电压值具有随时间线性变化的斜坡波形，该斜坡波形为直流电压信号在积分电路下的响应电压信号；由于响应电压信号的电压值随时间增大，当响应电压信号大于预设电压阈值时，输出停止信号，处理器接收到停止信号后停止计数器停的计数，由于直流电压信号的电压值越大，斜坡波形的斜率越大，响应电压信号能够在计数器更小的计数内大于预设电压阈值，从而通过计数器的计数值确定直流电压信号的电压值，预设的输出模型根据计数值输出与该电压值对应的pwm信号，从而控制交流脉冲的占空比，由此控制交流脉冲的功率。本技术处理器仅需接收启动信号和停止信号，相比于使用adc芯片处理器需接收8位或12数字信号，较大程度上减少对处理器i/o口的占用，从而节约了处理器的i/o口资源。
26.第三方面，本技术提供了一种射频等离子体手术系统，采用如下技术方案。
27.一种射频等离子体手术系统，包括上述第一方面所述的电路。
28.综上所述，本技术至少包括以下有益效果：接收到启动信号后，处理器启用计数器功能，清零计数器，从零开始计数；同时，积分电路获取待转换的直流电压信号后，输出与直流电压信号的电压值具有随时间线性变化的斜坡波形，该斜坡波形为直流电压信号在积分电路下的响应电压信号；由于响应电压信号的电压值随时间增大，当响应电压信号大于预设电压阈值时，比较电路输出端电平翻转，输出停止信号，处理器接收到停止信号后停止计数；由于直流电压信号的电压值越大，斜坡
波形的斜率越大，响应电压信号能够在更小的计数时间内大于预设电压阈值，从而通过计数器的计数值确定直流电压信号的电压值，处理器模拟输出与该电压值对应的pwm信号，从而控制交流脉冲的占空比，由此控制交流脉冲的功率。本技术中处理器响应启动信号而启用计数器功能，响应停止信号而停止计数器计数，处理器根据计数器的计数值模拟输出对应的pwm信号，因此，本技术仅需要处理器的两个i/o口，分别用于接收启动信号和停止信号，相比于使用adc芯片，较大程度上减少对处理器i/o口的占用，节约了处理器的i/o口资源。
附图说明
29.图1是本技术电路一实施方式的电路结构框图；图2是本技术不同直流电压信号下的响应电压信号、停止信号以及计数值的对应关系示意图。
30.图3是本技术电路一实施方式的整体电路结构示意图；图4是本技术电路另一实施方式的整体电路结构示意图；图5是本技术方法一实施方式的流程图。
31.附图标记说明：100、处理器；200、积分电路；210、后级保护电路；300、比较电路；400、按键电路。
具体实施方式
32.本技术结合附图1-附图5为例进一步进行详细说明。
33.由于adc芯片的数字量输出引脚随着adc芯片的转换精度的增加而增加，常用的8位a/d转换器通过8个引脚输出8位二进制数表示转换的结果，需要占用处理器100的8个i/o口。同时，a/d转换器输入端为模拟量，输出端为数字量，由于数字信号的边沿比较陡，从而产生高次谐波，高次谐波容易耦合到模拟电路中，对模拟信号造成干扰，增加了控制的难度。
34.本技术实施例提供了一种用于输出pwm信号的电路。
35.如附图1所示一种用于输出pwm信号的电路，包括：处理器100，用于接收并响应启动信号，清零并启动计数器；积分电路200，用于接收并响应启动信号，获取待转换的直流电压信号，并对直流电压信号进行积分运算，得到并输出响应电压信号；比较电路300，用于接收响应电压信号和预设电压阈值，并根据响应电压信号的电压值和预设电压阈值的比较结果，输出停止信号；处理器100还接收并响应停止信号，停止计数器，并根据计数器停止时的计数值，输出相应占空比的pwm信号。
36.需要说明的是，计数器集成于处理器100内，同时，处理器100还包括输出单元，输出单元内存储有计数值-pwm信号占空比映射表，映射表内包括不同计数值与pwm信号不同占空比之间的映射关系，例如，计数值为60时映射的pwm信号的占空比为50%，计数值为80时映射的pwm信号的占空比为60%。
37.本实施方式中，接收到启动信号后，处理器100启用计数器功能，清零计数器，从零开始计数；同时，积分电路200获取待转换的直流电压信号后，输出与直流电压信号的电压值具有随时间线性变化的斜坡波形，该斜坡波形为直流电压信号在积分电路200下的响应
电压信号；由于响应电压信号的电压值随时间增大，当响应电压信号达到预设电压阈值时，比较电路300输出端电平翻转，输出停止信号，处理器100接收到停止信号后停止计数；由于直流电压信号的电压值越大，斜坡波形的斜率越大，响应电压信号能够在更小的计数时间内大于预设电压阈值，从而计数器的计数值越小，通过计数器的计数值确定直流电压信号的电压值，处理器模拟输出与该电压值对应的pwm信号，本技术中处理器100响应启动信号而启用计数器功能，响应停止信号而停止计数器计数，处理器100根据计数器的计数值模拟输出对应的pwm信号，因此，本技术仅需要处理器100的两个i/o口，分别用于接收启动信号和停止信号，相比于使用adc芯片，较大程度上减少对处理器i/o口的占用，节约了处理器的i/o口资源，同时大大降低了数字信号对模拟信号的干扰，降低了射频等离子体手术系统的控制难度。
38.如附图2所示，由于积分电路200的输出信号与输入信号之间存在函数关系：，k为积分电路200参数确定的系数，对于同一个积分电路200的k值不变，对于输入不同电压的直流电压信号、和经过同一个积分电路200对应输出斜率不同的、和，，、和再经过比较电路300与固定的电压vref比较，从而在不同的刻输出停止信号，计数器在接收到停止信号时，停止计数。由附图2可见，直流电压信号的幅值越大，计数器的计数值越小，根据计数器的计数值可以确定直流电压信号的电压值，从而输出对应占空比的pwm信号。
39.如附图3所示，作为处理器100的一种实施方式，处理器100包括主控cpu，主控cpu的中断输入口与比较电路300的输出端连接。
40.本实施方式中，主控cpu连接按键电路400，工作人员通过按压按键输出启动信号，主控cpu接收启动信号后，清零并启动主控cpu的计数器，并由主控cpu的一个中断输入口接收停止信号，以停止主控cpu的计数器，主控cpu根据计数器的计数值模拟输出对应的pwm信号。
41.为了减少后级电路损坏而引起的系统故障，积分电路200还包括后级保护电路210，的后级保护电路210用于缩小响应电压信号的电压幅值。
42.本实施方式中，积分电路200输出的响应电压信号的幅值会随时间增加至与直流电压信号的幅值相等，由于有多个档位，直流电压信号的电压跨度较大，在高档位时，响应电压信号的幅值增大到一定程度时容易损坏后级电路，因此设置后级保护电路210缩小响应电压信号的电压幅值，减少后级电路损坏而引起的系统故障。
43.作为积分电路200的一种实施方式中，积分电路200包括第一电阻器r1和电容器c，第一电阻器r1的一端用于接收直流电压信号，第一电阻器r1的另一端与电容器c的一端连接，电容器c的另一端接地；第一电阻器r1与电容器c连接的一端用于输出响应电压信号。
44.上述实施方式中，第一电阻器r1与电容器c构成rc积分电路200，由于电容两端电压不能突变，随着对电容器c的充电，电容器c两端的电压逐渐增大，并且，根据rc积分电路公式：，可知，直流电压信号的电压值越大，对电容器c进行充电的充电电流也就越大，电荷在电容器c上聚集的速度也就越快，电容器c两端的电压增大速率越快。
45.作为后级保护电路210的一种实施方式，后级保护电路210包括第二电阻器r2，第二电阻器r2并联于电容器c的两端。
46.上述实施方式中，第一电阻器r1与第二电阻器r2构成串联分压电路，使得在第一电阻器r1上产生电压降，从而使响应电压信号的电压幅值能够按照分压公式的比例缩小，防止响应电压信号的电压幅值过大损坏后级电路。
47.如附图4所示，作为积分电路200的另一种实施方式，积分电路200包括第三电阻器r3和电感器l，电感器l的一端用于接收直流电压信号，电感器l的另一端与第三电阻器r3的一端连接，第三电阻器r3的另一端接地；电感器l与第三电阻器r3连接的一端用于输出响应电压信号。
48.通过采用上述技术方案，电感器l与第三电阻器r3构成rl积分电路200，由于电感上电流不能突变，随着对电感器l的充电，电感器l上的电流逐渐增大。并且，根据rl积分电路公式：，可知，直流电压信号的电压值越大，对电感器l进行充电的充电电压也就越大，电感器l上电流增大的速率越快，电流通过第三电阻器r3，使第三电阻器r3两端的电压增大速率也就越快。
49.作为后级保护电路210的另一种实施，后级保护电路210包括第四电阻器r4，第四电阻器r4的一端与电感器l连接，第四电阻器r4的另一端用于接收直流电压信号。
50.上述实施方式中，第三电阻器r3与第四电阻器r4构成串联分压电路，使得在第四电阻器r4上产生电压降，从而使响应电压信号的电压幅值能够按照分压公式的比例缩小，防止响应电压信号的电压幅值过大损坏后级电路。
51.作为比较电路300的一种实施方式，比较电路300包括运算放大器a，运算放大器a反相输入端用于接收响应电压信号，运算放大器a的同相输入端用于接收预设的参考电压vref，运算放大器a的输出端用于输出停止信号。
52.上述实施方式中，由于运算放大器输出端输出的电平取决于其同向输入端与反向输入端所接收的电压的大小，当参考电压vref大于响应电压信号时，运算放大器a输出高电平；随着响应电压信号逐渐增大，当参考电压vref小于响应电压信号时，运算放大器a输出低电平，可见，随着时间变化，运算放大器a的输出将会翻转，结合积分电路200的特性，直流电压信号的电压值越大，运算放大器a的输出将会在越短的时间内翻转，运算放大器a能够越早的输出停止信号，计数器的计数值则越小。
53.本技术实施例提供了一种用于输出pwm信号的方法。
54.如附图5所示，一种用于输出pwm信号的方法，应用于上述电路，包括：s100，接收并响应于启动信号，获取待转换的直流电压信号，以及，清零并启动计数器；具体的，启动信号可以由普通的输入按键，也可以是结合实际需求设置的手柄触发式按键、脚踏触发式按键，或者是可触摸屏幕的交互按键等，在此不作限制，计数器可以在接收到启动信号时，根据预设脉冲的频率对计数接收的脉冲个数，预设脉冲的频率可以是cpu的时钟频率，也可以是结合历史经验人为设置，例如1khz，即相邻两个脉冲的上升沿/下降沿的时间间隔为1ms。
55.s200，基于预设的积分模型，获取直流电压信号在积分模型下进行积分运算得到
并输出的响应电压信号；具体的，通过预设的积分模型直流电压信号转换为随时间线性增长的响应电压信号，直流电压信号在每一个档位均为一个固定的电压值，电压值越大，响应电压信号增长的速率也就越大。
56.s300，判断响应电压信号的电压值是否大于预设电压阈值，若是，则输出停止信号；具体的，由于电压值越大，响应电压信号随时间增长的速率也就越大，响应电压信号的电压值大于预设电压阈值的时间也就越短，即计数器的脉冲计数个数也就越少，其中，预设电压阈值结合历史经验人为设置。
57.s400，基于停止信号，计数器停止计数，并输出计数器的计数值；具体的，计数器的计数值的能够反映响应电压信号增长到大于预设电压阈值的时间，继而反映出直流电压信号的电压值。
58.s500，基于预设的输出模型，根据计数器停止时的计数值，输出相应占空比的pwm信号。
59.具体的，根据计数器的计数值，由预设的输出模型输出pwm信号，计数值决定输出pwm信号的占空比，输出模型中包含计数值与pwm信号占空比对应关系，该对应关系由人为结合历史经验设置。
60.上述实施方式中，接收到启动信号后，处理器100启用计数器功能，计数器清零并从零开始计数，同时，预设的积分模型获取待转换的直流电压信号，并根据积分模型输出与直流电压信号的电压值具有随时间线性变化的斜坡波形，该斜坡波形为直流电压信号在积分电路200下的响应电压信号；由于响应电压信号的电压值随时间增大，当响应电压信号大于预设电压阈值时，输出停止信号，计数器停止计数，处理器100接收到停止信号后停止计数，由于直流电压信号的电压值越大，斜坡波形的斜率越大，响应电压信号能够在计数器更小的计数内大于预设电压阈值，从而通过计数器的计数值确定直流电压信号的电压值，预设的输出模型根据计数值输出与该电压值对应的pwm信号，从而控制交流脉冲的占空比，由此控制交流脉冲的功率。本技术处理器100仅需接收启动信号和停止信号，相比于使用adc芯片处理器100需接收8位或12数字信号，较大程度上减少对处理器i/o口的占用，从而节约了处理器的i/o口资源。
61.本技术实施例提供了一种射频等离子体手术系统。
62.一种射频等离子体手术系统，包括上述的电路。
63.本实施方式中，由上述电路根据不同幅值的直流电压信号输出不同占空比的pwm信号，由pwm信号将直流电压转换为交流脉冲，同时根据pwm信号不同的占空比，控制交流脉冲的功率，完成了直流电压到交流脉冲的转换，并且转换精度（计数时间越小精度越高）和转换速度可控，能够成功应用在射频等离子体手术控制系统中。
64.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
65.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。