一種頻率可調的程控精密恒流源設計

劉博雋，孫 彪，張 甫，唐 求，張建文

(1.湖南師范大學物理與信息科學學院，湖南 長沙 410006;2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082;3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

近年來，利用生物組織的電特性及其通電后組織的變化規律，獲取生物組織信息的生物電阻抗譜測量展示了誘人的應用前景，越來越受到重視。

向待測生物體注入微小的交變電流或電壓信號，檢測生物組織相應的電阻抗及其變化情況，可獲取所需要的生物組織信息[1]，實現水分、嫩度、新鮮度、病變等檢測。現階段的生物電阻抗測量技術主要有電橋法、二電極法、四電極法，對于目前絕大多數進行生物電阻抗測量的四電極法，其測量系統主要由激勵源模塊、調制解調模塊、電極系統以及控制單元等部分組成[2]。其中，激勵源為整個系統提供了通入待測生物組織的激勵電流或電壓，是整個測量系統的基礎，其信號質量是影響生物電阻抗測量性能的重要因素[3]。

在生物電阻抗檢測系統中，為減少電極與被測試樣接觸電阻的影響，普遍使用交變恒流源作為激勵源[4]。電阻抗譜測量需要得到多種頻率下生物組織電壓及電流的變化關系，具有比單頻測量更豐富、更準確的觀察信息[5]。基于電阻抗測量的肉類水分快速測定儀和基于電阻抗譜測量的注水肉檢測方法，就是依據多頻率激勵下的被測試樣導電性能確定水分含量和注水情況。文獻[3-4]利用DDS生成多頻信號，但功耗較大；文獻[5]利用函數發生器等儀器研究肉類導電性能，為原理實驗研究。上述研究方法雖不宜作為電池供電的便攜式儀器使用，但為本文提供了多頻率信號測量的借鑒思路。

本文根據便攜式肉類水分快速測定儀需求，設制了一種低功耗、能夠實現頻率調節的程控精密恒流源，低頻信號用于觀測被測試樣細胞外液的導電性能，較高頻率信號則觀測細胞外液、內液和細胞膜共同貢獻的導電性能。試驗證明，該恒流源具有穩定性高、輸出阻抗大、調節便捷等優點。

1 頻率可調的程控恒流源的構成

1.1 程控恒流源的結構設計

注水肉快速測量要得到多種頻率下待測肉品電壓與電流之間的關系，頻率可調為該恒流源的基本要求。程控恒流源系統分為信號產生電路和電壓電流轉換電路兩部分。單片機控制信號產生電路中的電阻阻值，實現對恒流源輸出信號的頻率調節。圖1即為該程控恒流源系統整體結構。通過鍵盤對單片機輸入指令，控制模擬開關的導通情況，改變信號產生電路中數字電位器阻值以及接入電容的電容值大小，進而改變信號產生電路的輸出信號頻率。將信號產生電路輸出的正弦信號作為電壓電流轉換電路的輸入信號并通入其中，即可實現固定頻率的正弦電壓信號到同頻率的正弦電流信號的轉換[6]。將信號產生電路以及電壓電流轉換電路二者的輸出信號經過信號調理反饋至單片機，最終將輸出結果顯示在顯示器上。

圖1 程控恒流源系統結構設計

1.2 程控恒流源系統原理圖設計

程控恒流源電路由正弦信號發生器與壓控精密恒流源兩部分構成，電路如圖2所示。由運放A1、構成的信號發生電路由于自激振蕩，于A2輸出端輸出正弦波，調節電容C1、C2以及電位器P1的阻值，可以改變信號發生電路的輸出信號頻率。信號發生電路的輸出信號作為電壓電流轉換電路的輸入信號，正弦波經過基于Howland電流泵的改進型電路進行電壓電流轉換，輸出具有高輸出阻抗的正弦恒流源信號。

圖2 程控精密恒流源電路圖

2 恒流源電路設計

2.1 正弦信號發生器電路設計

信號發生器需要頻率控制電路。本文設計的信號發生器選用單T選頻網絡。

2.1.1 單T型選頻網絡

單T型選頻網絡電路結構如圖3(a)所示，它由一個定值電阻與一個T型網絡高通濾波器并聯構成。利用星形電路同三角形電路轉換的原理，可以將單T選頻網絡化簡為圖3(b)所示的等效電路[7]。

圖3 單T選頻網絡原理圖

從圖3(b)中，可以得到Z1為

由此得到單T選頻網絡的幅頻特性：

單T選頻網絡的相頻特性為

2.1.2 單T型選頻網絡正弦信號發生器

單T型選頻網絡正弦信號發生器電路圖如圖4所示。采用TI公司的極低失真、低噪聲高速運放OPA134作為主振運放A1，其帶寬8 MHz，壓擺率20 V/μs。單T選頻網絡接在A1的負反饋回路中，反饋信號與輸入信號存在相位差π，且由于A1為非理想放大器，開環增益并非無窮大，電路無法滿足自激振蕩A·F=1及φA+φF=2nπ的振蕩條件。因此，需要在電路中加入正反饋以滿足振蕩條件。

圖4 單T型選頻網絡正弦信號發生器

圖4中，除主振運放A1外，設置有電壓比較器A2。A2采用TI公司的高速、具有選通的差動比較器LM311。A2同相端電位為0，反相端接正弦信號比較器A2輸 出信號為頻率與正弦信號U0相同的方波，該方波經過R6、R7、P2產生電平位移以及齊納二極管D1穩幅后，反饋到單T型選頻網絡中，實現自激振蕩。圖4中的電路采用外激調諧方法實現正反饋，不影響電路的增益或帶寬，因此輸出信號幅值與電路振蕩頻率不產生相互影響。

為保證電路起振，電容C3、電阻R4的取值應使A2達到飽和，工作在非線性區，即使A2表現為過零比較器，產生方波諧振。

調節單T選頻網絡電容與電位器參數，可以改變輸出信號的頻率；與此同時，通過電位器P2，可以調節信號發生器輸出的信號幅值。但P2的阻值不宜過低，否則將出現因閉環增益過高而導致輸出信號失真。反復實踐表明，P2阻值保持在最大值的60%～98%為宜。

圖4中各元件參數分別為R1=100 k?、R2=200 ?、R3=20 k? 、R4=22 k?、R5=R6=10 M?、R7=1 k?、P1=2 k?、P2=1 k?、C1=C2=C、C3=350 nF、C4=10 nF。改變C的容值可以實現對正弦信號發生器輸出頻率的量程改變，改變P1阻值可實現該量程內的頻率微調。在C由20 nF逐漸調至40 pF過程中，正弦信號發生器輸出頻率由0.5 kHz調節至522 kHz。

在Multisim 10仿真環境下，對圖4所示電路進行仿真測試，運放A1、A2均使用±5 V雙電源供電，當C=40pF時，輸出信號頻率為500 kHz，有效值為1 V，輸出信號波形圖如圖5所示，與理論計算非常接近，信號質量理想。

圖5 頻率500 kHz有效值1 V的正弦信號發生器輸出波形

2.2 壓控精密恒流源電路設計

2.2.1 電壓電流轉換電路設計

本文設計的基于改進型Howland電流泵的電壓電流轉換電路，如圖6所示。相比原Howland電流泵，該電壓電流轉換電路于運放A3的負反饋回路中加入了由同型運放A4構成的電壓跟隨器，以減少運放A3負反饋回路中的電流消耗，提高電路的輸出阻抗。

圖6 電壓電流轉換電路圖

圖中電壓電流轉換電路中的運放A1、A2均選用TI公司的極低噪聲、高速運放OPA725，其帶寬20 MHz，壓擺率30 V/μs[8]。電阻R8～R12為增益調節電阻，均可由一個固定電阻與一個電位器串聯構成。電容C5用來防止在兩條反饋回路中出現大容性負載時產生振蕩[9-10]。電容C2為 濾波電容，Rload為負載電阻。

2.2.2 電壓電流轉換原理

圖6所示電壓電流轉換電路的交流小信號等效電路如圖7所示。其中，V?與V+分 別為運放A3反向、同向輸入端的電壓，Vx為A3的 輸出電壓，Vout為恒流源電路的輸出電壓。

圖7 電壓電流轉換電路小信號等效電路

若A3、A4工作在線性區，輸出電流為Igen，則有：

聯立式 (6)～(8)得

Vout結點的KCL方程為

將式(10)式代入式(9)有：

選擇合適的外圍電阻阻值，使

則式(11)可表示為

取R8=R9，則式(13)可進一步簡化為

即電壓電流轉換電路的輸出電流完全由輸入信號U0與 電阻R12所決定。

2.2.3 電壓電流轉換的電路元件參數設置

Howland電流泵中，只有參數達到阻抗匹配才能正常工作，但并不是任意的阻抗匹配都能夠達到較好的效果[10]。本文設計的電壓電流轉換電路調試過程發現，即使達到阻抗匹配，不同的電阻值也會產生不同的恒流特性。經反復調試，在多組數據中選擇出了恒流特性相對較優的參數值：R8=R9=R10=5 k?，R11=R12=2.5 k?，C5=10 pF，C6=1 nF，電源為±5 V雙電源供電。

3 程控精密恒流源的仿真實驗研究

電路設計后，進行了大量的仿真實驗研究，以獲得優化的參數配置，在仿真實驗驗證電路良好性能的基礎上進一步完成電路調試、定型。

將圖2所示精密程控恒流電路在Multisim 10.0環境進行仿真實驗，通過改變電路的C并調節P1、P2，使信號發生器輸出幅值為1 V的不同頻率正弦信號。表1、表2分別為輸出頻率固定、負載電阻變化的恒流源輸出電流仿真實驗結果；表3為負載電阻取不同固定值、輸出信號頻率變化時的恒流源輸出電流仿真實驗結果。

表1 頻率為200 kHz時電流隨負載的變化關系

由表1、表2可見，當信號發生器輸出頻率為200 kHz、負載從0到2.5 kΩ變化時，輸出電流從392.612 μA 變化到 391.277 μA，變化量僅為 0.34%；當信號發生器輸出頻率為500 kHz、負載從0到1.2 kΩ時，輸出電流從388.981 μA變化到386.005 μA，變化量僅為0.77%。

表2 頻率為500 kHz時電流隨負載的變化關系

表3 不同負載電阻下電流隨頻率的變化關系

由表3可見，對于100 Ω的負載，信號發生器輸出頻率從100 kHz變化到500 kHz，輸出電流由393.127 μA 變化到 388.792 μA，變化率為 1.10%；對于1 kΩ的負載，信號發生器輸出頻率從100 kHz變化到 500 kHz，輸出電流由 393.043 μA變化到386.609 μA，變化率為 1.63%。

仿真實驗表明，保持信號發生器輸出頻率不變、改變負載大小或是保持負載不變、改變信號發生器輸出頻率，輸出電流的變化率均保持在較低水平，意味著當負載變化較大時輸出電流能夠保持在較高的穩定狀態。在仿真實驗成功基礎上試制的頻率可調程控精密恒流源，已應用于肉類水分快速測定儀、注水肉快速測量儀。儀器測試效果良好，通過了國家計量部門檢測，圖8為采用了本文設計恒流源的RSY-2肉類水分快速測定儀。

4 結束語

以交變電流作為激勵源，用電壓測量的方案進行生物電阻抗測量，已在醫學電阻抗斷層成像（EIT）以及生物電阻抗分析（BIA）中廣泛應用[11-12]。基于生物電阻抗分析的肉類水分快速測定、注水肉快速測量，激勵源的性能對測量精度、穩定性有著直接影響。本文設計的基于Howland電流泵改進型頻率可調程控精密恒流源采用單T型選頻網絡正弦波振蕩器，頻率調節快速方便，輸出信號穩定且幅值可調、輸出阻抗大、負載能力強、輸出電流穩定，功耗低、體積小，便于便攜式儀器采用，實際應用證明了其優良性能。

圖8 RSY-2肉類水分快速測定儀