CN109999342A - 一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置 - Google Patents

一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，包括主控电路，用于根据外部控制指令生成脉冲信号；调压电路，用于使输出电压在第一电压至第二电压范围内；分时复用电路，用于接收所述调压电路的输出电压并在主控电路的控制下在不同时间段内通过不同的刺激电极输出的电刺激信号。本发明在使用时可以保持输入脉冲大小幅度不变，调节脉冲驱动电路的电源电压，从而调节输出电压的大小，达到调节脉冲强度的目的。这样，既没有恒流方式的刺痛感，也没有电路结构复杂、成本高的缺点，同时提高了脉冲驱动电路的工作效率。并且，在调节电源电压的电路中应用数字可调电位器，使整个调节电路进一步得到简化，电路可靠性增加，电路调节功能反而得到加强。

Description

一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置
技术领域
本发明属于电脉冲的调节电路，具体涉及一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置。
背景技术
电刺激是指对组织细胞施加一定的电流，使得组织细胞产生生理反应，反应的程度与形式随接受刺激的组织、刺激电压的形式密切相关。
刺激电压的电脉冲强度调节通常有两种方式：
一、脉冲驱动放大器的电源电压不变，保持最高，输入脉冲大小幅度不变，调节放大器脉冲输出电流的大小，达到调节脉冲强度的目的。电流大对人体的刺激就大。这种调节方式本质上就是恒流输出。恒流输出，开路时，电极两端的电压很高。因此，当电极与人体接触不充分，也就是说接触电阻较大时，电极电压很高，容易对人产生刺痛感。
二、脉冲驱动放大器的电源电压不变，保持最高，调节输入脉冲大小幅度，从而改变放大器输出脉冲电压的大小，达到调节脉冲强度的目的。这种调节方式本质上是恒压输出，就没有恒流输出的缺点——电极接触电阻较大时，电极电压很高，易产生刺痛感。但这种调节方式电路结构复杂、体积大、成本高，提高可靠性不容易。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，以解决传统的电压调节方式容易对人产生刺痛感的缺点。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，该装置包括：
主控电路，用于根据外部控制指令生成脉冲信号；
调压电路，用于使输出电压在第一电压至第二电压范围内；
分时复用电路，用于接收所述调压电路的输出电压并在主控电路的控制下在不同时间段内通过不同的刺激电极输出的电刺激信号。
可选地，该装置还包括：
通道检测电路，用于检测所述的不同的刺激电极是否有电流流过。
可选地，所述调压电路包括：
升压模块，用于将低电压转换为高电压；
滤波模块，用于对所述高电压进行滤波处理；
调节模块，用于对滤波处理后的电压进行调节并使输出电压在第一电压至第二电压范围内。
可选地，所述调节模块包括：
第一输入模块，用于向差分放大模块的第一输入端输入第一电压；
第二输入模块，用于向差分放大模块的第二输入端输入第二电压；
第一开关模块，用于控制第二开关模块的通断；
第二开关模块，用于控制所述调节模块的通断。
可选地，所述第二输入模块包括一电压分压电路，所述电压分压电路的输出端连接所述差分放大模块的第二输入端。
可选地，所述电压分压电路至少包括数字电位器。
可选地，所述分时复用电路包括多路分时复用单元，每路分时复用单元包括一脉冲驱动电路，其中一路所述的脉冲驱动电路的输出端连接一采样电路。
可选地，所述采样电路包括采样电阻。
可选地，该装置还包括放大电路，用于对采样电路的输出电流进行放大。
如上所述，本发明的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，具有以下有益效果：
本发明在使用时可以保持输入脉冲大小幅度不变，调节脉冲驱动电路的电源电压，从而调节输出电压的大小，达到调节脉冲强度的目的。这样，既没有恒流方式的刺痛感，也没有电路结构复杂、成本高的缺点，同时提高了脉冲驱动电路的工作效率。并且，在调节电源电压的电路中应用数字可调电位器，使整个调节电路进一步得到简化，电路可靠性增加，电路调节功能反而得到加强。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置的原理框图；
图2为调压电路的电路图；
图3为BTL全桥脉冲驱动电路的电路图；
图4为放大电路的电路图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所增本发明提供一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，该装置包括主控电路、调压电路和分时复用电路；
主控电路，用于根据外部控制指令生成脉冲信号；所述主控电路为一单片机。
调压电路，用于使输出电压在第一电压至第二电压范围内；
分时复用电路，用于接收所述调压电路的输出电压并在主控电路的控制下在不同时间段内通过不同的刺激电极输出的电刺激信号。
于一实施例中，该装置还包括：
通道检测电路，用于检测所述的不同的刺激电极是否有电流流过。当没有检测到电流流过时，关闭相应的的刺激电极。
于一实施例中，所述调压电路包括升压模块、滤波模块和调节模块；
所述升压模块，用于将低电压转换为高电压；
所述滤波模块，用于对所述高电压进行滤波处理；
所述调节模块，用于对滤波处理后的电压进行调节并使输出电压在第一电压至第二电压范围内。
于一实施例中，所述调节模块包括第一输入模块、第二输入模块、第一开关模块和第二开关模块；
第一输入模块，用于向差分放大模块的第一输入端输入第一电压；
第二输入模块，用于向差分放大模块的第二输入端输入第二电压；
第一开关模块，用于控制第二开关模块的通断；
第二开关模块，用于控制所述调节模块的通断。
于一实施例中，所述第二输入模块包括一电压分压电路，所述电压分压电路的输出端连接所述差分放大模块的第二输入端。所述电压分压电路至少包括数字电位器。
具体地，如图2所示，所述调压电路包括一DC-DC电源管理芯片MC34063；MC34063的SWC脚连接第一电感L1，第一电感L1的另一端连接第一二极管D1的正极，第一二极管 D1的负极连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第六电容C6的一端，第六电容C6的另一端接地，MC34063的SWE脚分别连接第二二极管D2的正极、第三电阻R3的一端、第一三极管Q1的基极，第三电阻R3的另一端接地，所述第一三极管Q1的集电极接地，发射极与第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的负极还与第一MOS管Q2的栅极连接，第一MOS管Q2的漏极与所述第一二极管D1的正极连接，第一MOS管Q2的源极接地；所述MC34063的F.B极经第二电阻R2接地，同时还经第四电阻R4与第五电容C5连接，第五电容C5的两端还并联第三二极管D3且第三二极管D3的正极接地，负极分别连接第五电容 C5、第一二极管D1的负极。
所述调压电路还包括一差分放大电路，所述差分放大电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第五三极管Q5、第六三极管Q6和第十一电阻R11，其中，所述第五三极管Q5的基极输入一基准电压，第五三极管Q5的基极经第七电阻R7与所述第二电感L2的一端连接，第五三极管 Q5的基极与第六三极管Q6的基极连接后经第十一电阻R11接地，第五三极管Q5的集电极经第八电阻R8与第二电感L2连接，第六三极管Q6的集电极经第九电阻R9与第二电感L2连接。第六三极管Q6的基极连接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端与第二MOS管 Q4的栅极连接，第二MOS管的漏极与第二电感L2连接，源极作为输出端。所述调压电路还包括第三三极管Q3，第三三极管Q3的发射极接地，基极经第六电阻R6与第四二极管D4的负极连接，第四二极管D4的正极接地，第三三极管Q3的基极经第五电阻R5连接电源。第三三极管Q3的集电极与第六三极管Q6的集电极连接，还与第二MOS管Q4的栅极连接。第六三极管Q6的基极连接数字电位器的滑动端，第十电阻R10的一端连接第二MOS管的源极，另一端连接数字电位计的高端，同时连接第五二极管D5的负极，第五二极管D5的正极接地。数字电位计的低端经第十二电阻R12接地。其中，第四二极管D4与第五二极管D5为过压保护二极管。
如图2所示，电路左端输入两节锂电池电压，约为8.4V。通过电源管理芯片U1的升压、稳压管理控制，第五电容C5、第二电感L2、第六电容C6构成π型滤波器，滤出PWM纹波；第三二极管D3或第六电容C6两端电压达64V稳定直流电压。第三二极管D3为TVS过压保护二极管。该第三二极管D3两端电压钳位置65V以内。
电压基准输出芯片U2，高耐压NPN第五三极管Q5、第六三极管Q6，功率NMOS管Q2、数字电位器U3以及***电阻、电容等器件构成可调稳压调整电路。第四二极管D4、第五二极管D5为过压保护二极管。第三三极管Q3为输出电压切断开关，如第三三极管Q3输入KHV2 为高电平，第三三极管Q3导通，稳压电源调整管-第二MOS管Q4截止，电源输出HV2输出 0V；如KHV2为低，第三三极管Q3截止，调整管第二MOS管Q4导通，电源输出HV2输出电压，具体输出值由第五三极管Q5、第六三极管Q6组成的差分放大器、电压基准U2以及数字电位器U3的设置确定。第七电容C7为电压调节电路频率补偿电容。该电容大大减低了电压调节电路的自激、提高了电路的稳定性与可靠性。
U3通过SPI总线(图中的SCK、SCI、CS_2)与控制单片机MCU相连接，由MCU设置 U3数字电位器的分压比，从而调节电源输出HV2的输出电压。电压调节范围可达5V～64V。
于一实施例中，所述分时复用电路包括多路分时复用单元，每路分时复用单元包括一脉冲驱动电路，其中一路所述的脉冲驱动电路的输出端连接一采样电路。所述采样电路包括采样电阻。
具体地，如图3所示，所述分时复用单元包括第七三极管Q7～第十二三极管Q12，第七三极管Q7的集电极与第九三极管Q9的发射极、集电极连接；第七三极管Q7的发射极与第八三极管Q8的发射极连接，第七三极管Q7的基极与第十一三极管Q11的基极连接，第八三极管Q8的基极与第十三极管Q10的基极连接，第八三极管Q8的集电极与第十二三极管Q12的基极连接，第九三极管Q9的集电极与第十三极管Q10的集电极连接，第十三极管Q10的发射极连接第十一三极管Q11的发射极，第十一三极管Q11的集电极连接第十二三极管Q12的集电极。
所述第七三极管Q7的基极经第十三电阻R13与单片机连接，与第十三电阻R13连接的单片机的连接端经第十四电阻R14与第十一三极管Q11的基极连接；第七三极管Q7的集电极经第十七电阻R17与第九三极管Q9的基极连接，第九三极管Q9的基极与集电极之间并联第十九电阻R19；第八三极管Q8的基极经第十六电阻R16与单片机连接，与第十六电阻R16妆的单片机的连接端经第十五电阻R15与第十三极管Q10的基极连接；第八三极管Q8的集电极经第十八电阻R18与第十二三极管Q12的基极连接，第十二三极管Q12的基极与发射极之间并联第二十电阻R20。
由于加在人体上的脉冲强度取决于三个因素的乘积：1.脉冲宽度(单位：us)，这个由单片机设置，是确定的；2.脉冲电压幅度；3.脉冲通过人体的电流。因此，只有脉冲输出的电压幅度值是不能够完整、全面地测量电极脉冲加在人体上的强度。所以，电极输出电流的测量对判断实际输出到人体脉冲强度至关重要。因此，所述第十三极管Q10与第十一三极管Q11的连接端与采集电阻R21连接。
于一实施例中，该装置还包括放大电路，用于对采样电路的输出电流进行放大。
如图3所示，所述放大电路包括第二十一电阻R21至第二十五电阻R25、运算放大器和第九电容C9所述运算放大器的正向输入端经第二十一电阻R21与所述第十三极管Q10的发射极连接，运算放大器的反向输入端经第二十三电阻R23接地，所述第九电容C9并联于所述运算放大器的反向输入端与输出端之间，所述第二十四电阻R24与第九电容C9并联。所述运算放大器的正向输入端经第二十二电阻R22接地，运算放大器的输出端经第二十五电阻R25连接单片机。
如图4所示，脉冲驱动输出电流通过采样电阻R21到地GND。第二十一电阻R21上的电压降通常较小，因此需要经过由运算放大器构成的差分放大器放大，由运算放大器的输出端 AD_AI2输出到单片机A/D输入进行数据处理。第九电容C9的作用：降低了差分放大器输出带宽，在低频范围内提高了差分放大器的信噪比(S/N)，使电极电流测量更准确。为了简化设计，并提高差分放大器的性能，差分放大器采用了单电源供电的轨对轨运算放大器(Rail-to-rail OP Amp)电路。
本发明在使用时可以保持输入脉冲大小幅度不变，调节脉冲驱动电路的电源电压，从而调节输出电压的大小，达到调节脉冲强度的目的。这样，既没有恒流方式的刺痛感，也没有电路结构复杂、成本高的缺点，同时提高了脉冲驱动电路的工作效率。并且，在调节电源电压的电路中应用数字可调电位器，使整个调节电路进一步得到简化，电路可靠性增加，电路调节功能反而得到加强。
于一实施例中，该装置还包括微控制器MCU，所述微控制器MCU通过UART接口与主控电路连接，微控制器MCU通过蓝牙与安装有专用APP的用户端通信连接。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，该装置包括：
主控电路，用于根据外部控制指令生成脉冲信号；
调压电路，用于使输出电压在第一电压至第二电压范围内；
分时复用电路，用于接收所述调压电路的输出电压并在主控电路的控制下在不同时间段内通过不同的刺激电极输出的电刺激信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，该装置还包括：
通道检测电路，用于检测所述的不同的刺激电极是否有电流流过。
3.根据权利要求1所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述调压电路包括：
升压模块，用于将低电压转换为高电压；
滤波模块，用于对所述高电压进行滤波处理；
调节模块，用于对滤波处理后的电压进行调节并使输出电压在第一电压至第二电压范围内。
4.根据权利要求3所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述调节模块包括：
第一输入模块，用于向差分放大模块的第一输入端输入第一电压；
第二输入模块，用于向差分放大模块的第二输入端输入第二电压；
第一开关模块，用于控制第二开关模块的通断；
第二开关模块，用于控制所述调节模块的通断。
5.根据权利要求4所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述第二输入模块包括一电压分压电路，所述电压分压电路的输出端连接所述差分放大模块的第二输入端。
6.根据权利要求5所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述电压分压电路至少包括数字电位器。
7.根据权利要求3所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述分时复用电路包括多路分时复用单元，每路分时复用单元包括一脉冲驱动电路，其中一路所述的脉冲驱动电路的输出端连接一采样电路。
8.根据权利要求7所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻。
9.根据权利要求7所述的一种用于调节刺激人体的刺激电脉冲的装置，其特征在于，该装置还包括放大电路，用于对采样电路的输出电流进行放大。
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