[發明專利]一種基于脈寬調制電路的電磁層析成像系統激勵信號源

在審

• 申請號: 201811087365.7
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109361379A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 崔自強;胡亞峰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03K7/08
• 分類號: H03K7/08;H03K3/0233
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于脈寬調制電路的電磁層析成像系統激勵信號源，包括PWM控制電路、隔離電路、信號調理電路、兩個功率開關、正電源、負電源和電磁層析成像激勵線圈。其中，PWM控制電路，產生的PWM控制信號，經過隔離電路和信號調理電路，得到兩路PWM信號；兩個功率開關為場效應管，前半周期PWM信號和后半周期PWM信號分別與第一功率開關和第二功率開關的柵極相連；第一功率開關的漏極與正電源相連，源極與激勵線圈一端相連，第二功率開關的源極與負電源相連，漏極與激勵線圈的同一端相連。

技術領域

本發明涉及一種過程層析成像激勵源，特別是一種基于脈寬調制電路的電磁層析成像系統激勵信號源。

背景技術

電磁層析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)技術是一種基于電磁感應原理的電學過程成像技術，其利用線圈陣列作為其傳感器。線圈可用作激勵或檢測。當某一(或多個)線圈作為激勵時，將其通入交變電流，此時線圈附近區域產生交變電磁場；當在被測場域內放入高電導率或磁導率介質時，檢測線圈上的感生電動勢會發生變化。通過檢測各線圈上的電動勢變化，并采用適當的圖像重建算法，可推導出被測場域內高導電率或者磁導率介質的分布。由于其具有非侵入、不接觸、對人體無害等優勢，已經被用于工業及生物醫學成像。

激勵信號源是電磁層析成像系統中重要的一個環節，其優劣直接決定系信號噪聲比，乃至最終成像結果的質量。現有的信號源多通過商用信號發生器或直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)芯片實現，其輸出的電壓信號經功率放大器之后，施加于激勵線圈。由于功率放大器的功率所限，通常需要給負載線圈串接限流電阻。

解放軍第四軍醫大學焦明克等人采用輸出頻率、幅值可調的信號函數發生器AFG3022作為激勵信號(焦明克,秦明新,梁文文,等.新型MIT激勵源和最佳激勵線圈的設計與實現[J].生物醫學工程學雜志,2009(2):234-238.)。其采用內部參考頻率源對其同步校準，提高了輸出頻率的準確度，這種方法雖然幅值頻率可調，但信號發生器體積很大，限制了系統的靈活性，不利于系統的一體化。SWatson等人采用10MHz，帶有溫度補償的晶體振蕩器作為激勵信號(Watson S,Williams RJ,Gough W,et al.A magnetic inductiontomography system for samples with conductivities below 10 S m-1[J].Measurement Science&Technology,2008,19(4):88-91.)。能為線圈提供100mA有效值的激勵電流，但是激勵信號的頻率和幅值均不可調，因而其應用具有較大局限性。直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分，具有切換時間短、頻率分辨率高、低噪聲、便于集成等優點，但DDS芯片輸出的一般是數字化的正弦波，因此還需經過高速D/A轉換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號，且輸出信號的頻帶受限，頻率過高時會出現失真現象，某些芯片發熱明顯。

此外，激勵信號源也可由數字信號處理器(如DSP、FPGA等)配合數模轉換器件實現。基于現場可編程門陣列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)的正弦信號發生器，采用知識產權核(Intellectual Property core，IP核)在FPGA內構造DDS模塊，頻率、幅值調節方便，精度很高，且模塊便于復用和移植。

為提高EMT系統的信號噪聲比，必須使線圈中的電流足夠大。由于激勵線圈是典型的感性負載，其阻抗值隨頻率變化，通常功率放大器帶寬有限，也會影響系統的性能。通常對不同頻率的激勵信號，需要調整限流電阻使其與功率放大器及線圈阻抗相匹配，以使輸出最大電流。通常很難在較寬頻帶內都保持較大的電流輸出，影響了EMT系統性能的進一步提升。

發明內容