皮膚阻抗檢測系統隔離刺激器的設計與實現

摘 要：隔離刺激器是皮膚阻抗檢測系統中重要的組成部分，根據檢測系統的具體要求，提出一種新型的刺激器設計方案。該方案采用LM317HV調整刺激器信號的電壓輸出幅度，最高可達80 V；通過HV632調整輸出脈沖的寬度和周期，從而實現一個幅度、脈寬和周期均可調的高壓脈沖發生器。該刺激器具有操作簡便、性能穩定、精度高和脈沖波形好等優點，可廣泛應用于需要高壓可調脈沖的場合，亦可對其進行擴展，滿足具體的工程需求。

關鍵詞：刺激器；LM317HV；HV632；高壓脈沖；程控脈沖發生器；皮膚阻抗檢測系統

中圖分類號：TN78 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)06-165-03

Design and Realization of Isolation Stimulator in Skin Impedance Measurement System

WANG Yuzhong，CHEN Xin

(College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，350002，China )

Abstract：The isolation stimulator is the most important part of the skin impedance measurement system.According tothe specific requirements of the measurement system，a new design of stimulator has been proposed.The stimulator adopts LM317HV to adjust the amplitude of voltage which is up to 80V，also using HV632 to adjust the pulse width and pulse period，then a high voltage pulse stimulator which amplitude，pulse wide and period are adjustable has been realized.The stimulator has the advantages of easy operation，stable performances，high accuracy and well-shaped pulse waveform.It can be applied to the occasion of adjustable high-voltage pulse，and also can be expanded to meet the special project′s demand.

Keywords：stimulator；LM317HV；HV632；high-voltage pulse；programmable pulse generator；skin impedance measurement system

在皮膚阻抗檢測系統的設計中，隔離刺激器的設計是最為關鍵的環節。隔離刺激器是整個系統的輸入信號供應端，關系到整個系統能否安全和正常的運行。在測量皮膚阻抗過程中，需要在不同的測量條件下對同一部位或不同部位進行多次測量，而且不同人體的體質會有所不同，這就要求設計的刺激器輸出脈沖信號參數能夠根據實際需要進行調整。

本刺激器是根據實際檢測系統的要求進行設計，其信號幅度最高可達80 V，脈寬1 μs精確可調，脈沖周期亦連續可調。主要包括可調穩壓電源設計和可調脈沖發生器的設計，下面詳細闡述各個部分的設計與實現。

1 供電電源的選擇

系統中的電源包括產生高壓脈沖所需的高壓電源和其他電路的供電電源。高壓電源部分需能夠產生高達80 V的電源電壓，采用AC/DC的電源模塊作為高壓供電電源，不僅輸入與輸出之間是相互隔離、不共地，而且大大地減小了體積。如圖1中虛線左側部分所示，采用ANSJ公司生產的電源模塊HAW40-220S40，將220 V的交流電壓轉換為+40 V的直流電壓，然后將2片電源模塊串聯起來構成一個+80 V的穩壓電源，在串聯輸出端需加二極管保護電源的輸出部分。另外刺激器中的其他電路所需的供電電壓要求為+5 V，而檢測系統電路中需要±12 V的雙電源供電，所以電路中采用一個DC/DC的電源模塊HDW6-48D12S5，將上述AC/DC電源模塊HAW40-220S40(2)輸出的+40 V直流電壓轉換為+5 V單電源輸出和±12 V的雙電源輸出，見圖1中虛線右側部分。

圖1中所示的整個供電電源電路中有4個地，分別是交流電源地FG，+80 V高壓電源地GND，+5 V電源地COM1和±12V電源地COM2，四者之間相互隔離。

2 可調穩壓電源的設計

為了實現電壓的可調，電路中采用美國國家半導體公司生產的LM317HV^[1，2]高壓三端可調穩壓器芯片實現對電壓的調整。

2.1 LM317HV的性能特點

LM317HV可在1.2～57 V輸出范圍內提供超過1.5 A的電流，只需外接2個電阻，即可設定其輸出電壓，使得整體電路設計非常簡單并且穩定。另外，其電壓和負載調整率均優于標準固定穩壓器。

由于LM317HV穩壓器是“浮置的”，只要輸入和輸出電壓差不超過芯片所能承受的最大值(60 V)，并且輸出端不短路，就可以穩定數百伏的電源電壓，同時為了避免超負荷使用對芯片造成損壞，設計中對于壓差的選擇需留出一定的余地。

圖1 供電電源設計示意圖

2.2 LM317HV的工作原理

如圖2所示，在輸入端(3腳)電壓一定的情況下，輸出端(2腳)的輸出電壓隨著調節端(1腳)的電壓的變化而變化。在工作中，其輸出端和調節端之間形成1.25 V的基準電壓VREF；該電壓在電阻R1上產生了恒定電流I1，I1和調節端的電流IADJ一同流經可調電阻R2，調整R2的阻值大小即可改變輸出電壓大小，對應的計算公式為：

VOUT=VREF#8226;[JB((]1+R2R1[JB))]+IADJ#8226;R2

圖2 LM317HV工作原理圖

由于輸入與輸出之間的電壓差不能超過60 V，本設計電路中的輸入電壓為80 V，則其輸出電壓最小值不能低于20 V，為了保證系統的穩定工作，還應該稍微調高最小輸出電壓。實際電路中R1的取值為240 Ω，R2的固定阻值部分接入4.7 kΩ的電阻，可調部分采用10kΩ的電位器，這樣其輸出電壓可調范圍大約為26～78 V，實際電路圖如圖3所示。

為了使可調電源能夠更加穩定地工作，需要在電路中接入電容來進一步提高系統穩定性。在調節端與地之間接入濾波電容C2，可以阻止紋波電壓被放大，從而獲得高的紋波抑制比。在輸出端接入1 μF的固體鉭濾波電容C3，可避免過沖和振蕩。在接入濾波電容后，應該要加接保護二極管D1 和D2，以防止電容通過器件內部進行放電，從而損壞穩壓器件。

2.3 輸出電壓顯示電路

為了能夠直觀地了解當前的輸出電壓大小，有必要對輸出的電壓進行顯示，以方便用戶的使用。對于輸出電壓的顯示，直接采用現成的數字式直流電壓顯示表頭，其可承受高達200 V的輸入電壓，精度可達0.1 V，且接口電路非常簡單，只需接入上述的5 V的工作電壓，然后將上述可調電源的輸出端接入即可。

圖3 可調電源調節部分電路圖

3 可調脈沖發生器的設計

為了實現脈沖寬度和周期的可調，電路中采用美國Supertex公司生產的HV632^[3，5]實現。

3.1 HV632的性能特點

HV632原本是一款32通道，輸出電壓可達80 V的專門為平板顯示設計的集成驅動IC，擁有1條8位數據總線，通過該數據總線可以對脈沖的寬度進行控制。HV632采用HVCMOS技術，集成了低壓CMOS邏輯和高壓驅動單元。高壓驅動單元采用推拉式結構，具有性能穩定，開關速度好等特點，可省去分立元件系統中高壓放大電路的設計，不僅節省設計成本，而且性能更加優越，可靠。根據其眾多的優良性能，可將其應用于高壓脈沖隔離刺激器的設計中。

3.2 HV632的工作原理

HV632的內部結構框圖如圖4所示，當接收數據使能端CSI有效后，8位二進制總線數據通過D1～D8存入前級數據鎖存器(Data Latch)中。在移位時鐘(Shift Clock)的上升沿和下降沿分別進行鎖存，每16個移位脈沖為1組，可鎖存32組數據。然后初始化計數器信號(Load Count)將所有數據同時存入后級的比較器和鎖存器(ComparatorLatch)，輸出的數據是在計數時鐘(Count Clock)的控制下，在比較器中進行比較而實現脈沖寬度的控制。接下來將低壓信號通過電平轉換器(L/T)，從而完成高壓脈沖信號輸出。脈沖寬度的控制機制是先將所需脈沖寬度值換算為8位二進制數值，然后通過8位數據總線鎖存到對應的Data Latch中，這些數據在Count Clock的上升沿和下降沿均與主計數器中的二進制數據進行比較。每次主計數器從11111111(二進制數據，下同)開始進行減計數，當其數值下降到和Data Latch中鎖存的數據相匹配時，輸出信號發生跳變，即為高電平；計數器繼續進行減計數，由于該計數器是可逆計數器，當計數到00000001時將開始進行加計數，當其數值與Data Latch中鎖存的數據再次匹配時，輸出信號再次發生跳變，重新變回低電平。如果Data Latch中鎖存的數據越大，輸出的高壓脈沖信號中的高電平持續時間將更長，即脈沖寬度更寬。通過以上的分析，只要對輸入Data Latch的數據進行控制，即可實現對輸出脈沖寬度的精確控制。

圖4 HV632內部結構框圖

3.3 可調脈沖發生器的設計

為了利用HV632生成所需參數的高壓脈沖信號，需要對其輸入控制信號進行相應的選擇和設置。對于脈沖寬度主要是受Count Clock的控制，若其頻率為1 MHz，則脈沖寬度可選范圍為1～255 μs，調節精度為1 μs。脈沖周期則等于Load Count信號的周期。

由于皮膚阻抗檢測系統中包括A/D采集卡，該采集卡附帶有16路的開關量輸出，可利用其中的8路作為8位數據總線的輸入信號控制高壓脈沖寬度，軟件程序中首先將輸入的值轉換為二進制數，然后開關量函數根據二進制數值對開關量輸出端進行置“0”或“1”操作；另外還有一路可編程方波信號輸出，可將其作為Load Count信號來控制高壓脈沖的周期，兩者關系如圖5所示，軟件程序中脈沖發生函數根據輸入的值來控制脈沖輸出周期。在其他應用系統中，也可采用硬件電路構成的低壓脈沖發生器來代替上述脈沖控制信號。另外，對于Count Clock的設計，可通過選取適合的晶振產生所需信號。對于脈沖幅度的控制，直接將已設計好的可調電源輸出的高壓接到HV632的高壓輸入端VPP(23腳)，則HVout輸出脈沖的幅度即為該輸入電源電壓。刺激器整體設計框圖如圖6所示。

圖5 輸出波形示意圖

圖6 刺激器整體設計框圖

4 結 語

本檢測系統隔離刺激器充分利用高速發展的集成電路代替分立元件電路，不僅減小了體積，而且性能更加穩定優越。另外HV632芯片集成了高壓驅動部分不僅降低了高壓電路設計的復雜性，而且提高了系統的性能。

在實際應用中，用戶可根據不同的需求，分別對隔離刺激器脈沖信號的幅度、脈寬和周期這3個參數進行相應的調整，各個參數的調整相互獨立、互不干擾。該刺激器具有調節直觀簡便、運行穩定、精度高以及脈沖波形好等優點。同時可將其直接應用于多種場合，也可以對其進行改造以滿足其他特殊要求，例如，某些場合需要的脈沖寬度比較寬，可將外部計數時鐘換成頻率較低的脈沖，或者將外部計數時鐘進行分頻后再使用。

參考文獻

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作者簡介 王玉忠 男，1982年出生，福州大學物理與信息工程學院，碩士研究生。主要研究方向為信號處理與應用。

陳 新 男，1956年出生，福州大學物理與信息工程學院，教授，碩士生導師。主要研究方向為生物醫學、圖像處理與網絡通信。

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