一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器及其方法与流程

本发明涉及一种预调制宽频功率输出器及其方法，属于治疗仪信号输出技术领域。

背景技术：

在医疗领域中，神经和肌肉刺激器类治疗仪的应用十分广泛，这类治疗仪中较有代表性是中频治疗仪，其治疗电流的特征是：载频范围在1khz～100khz的幅度受低频(0-150hz)信号调制的具有一定功率输出的中频电流。目前，现有技术是由功率放大器对经过低频调制的中频电流进行放大，再经变压器输出，由电极片传递到人体进行治疗。

上述现有技术的典型特征是：低频调制中频→功率放大→输出。不论采用独立的振荡器、数模转换器、调制器组成的系统，还是采用内部集成了上述功能的单片机，其工作机理基本是一样的。已调制中频(调幅信号)须经过功率放大后输出，这种电路结构带来了一些问题：用于放大调幅信号的功率放大器为传统线性电路，工作效率不高，普遍应用的乙类功率放大器的理论效率最高为78％，但这是在输出阻抗完全匹配、输出波形振幅达到最大时的理想数据，实际工作中的效率很低，波形振幅为一半时效率仅39％，如果采用甲类功率放大器则效率更低。

此外，由于功放效率低，电路发热严重，治疗仪往往需要体积不菲的散热器，增加了治疗仪的体积和成本；功放为达到阻抗匹配必须接输出变压器，而变压器的频率带宽较窄，使得功放的高频信号放大能力很差，只能工作在较窄的频率范围。现有的中频治疗仪工作频率上限只能勉强达到10～15khz，远远达不到100khz的范围。

技术实现要素：

为了解决现有中频治疗仪中的信号输出电路工作效率低、发热严重、信号放大能力差等问题，本发明提出了一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器及其方法，用低频信号对直流信号进行预调制，再利用中频信号控制预调制信号，输出调制中频信号，装置内不使用功率放大器，在实现中频治疗需求的前提下，解决了现有技术中存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器，包括治疗输入单元、低频信号单元、预调制功率输出单元、中频信号单元和宽频逆变单元；所述治疗输入单元，用于输入中频治疗仪的治疗要求，所述治疗要求包括治疗波形、治疗频率和治疗功率强度；所述低频信号单元，用于根据治疗波形和治疗频率要求产生0～150hz的低频信号；所述预调制功率输出单元，用于根据治疗功率要求输出强度可调的直流功率信号，并在低频信号的调制下输出幅度符合低频信号特征的预调制直流功率信号；所述中频信号单元，用于根据治疗频率要求产生1～100khz的中频信号；所述宽频逆变单元，用于接收中频信号和预调制直流功率信号，并在中频信号控制下，将预调制直流功率信号调制为中频功率信号。

进一步的，所述治疗输入单元分别连接所述低频信号单元、预调制功率输出单元和中频信号单元，低频信号单元连接所述预调制功率输出单元的一端，预调制功率输出单元的另一端和所述中频信号单元分别连接宽频逆变单元一端，宽频逆变单元的另一端连接外部治疗电极片。

进一步的，所述治疗波形包括正弦波、三角波、锯齿波、梯形波、指数波和矩形波。

进一步的，所述低频信号单元包括单片机和数模转换器，所述单片机的一端连接所述治疗输入单元，单片机的另一端连接所述数模转换器。

进一步的，所述中频信号单元采用单片机，所述单片机的一端连接治疗输入单元，单片机的另一端分别连接第一输出线和第二输出线，所述第一输出线和第二输出线分别连接宽频逆变单元。

进一步的，所述宽频逆变单元是由4组电子开关元件组成的快速开关电路，所述电子开关元件均设有3个引脚，第一电子开关的1引脚和第三电子开关的1引脚分别连接第一输出线，第二电子开关的1引脚和第四电子开关的1引脚分别连接第二输出线，第一电子开关的2引脚和第二电子开关的2引脚分别连接预调制功率输出单元的输出端正极，第三电子开关的2引脚和第四电子开关的2引脚分别连接预调制功率输出单元的输出端负极，第一电子开关的3引脚和第四电子开关的3引脚共同连接一个外部治疗电极片，第二电子开关的3引脚和第三电子开关的3引脚共同连接另一个外部治疗电极片。

进一步的，所述治疗输入单元包括显示屏和键盘。

一种基于预调制宽频功率输出器的功率输出方法，具体包括以下步骤：

s1、根据治疗需求录入中频治疗仪的治疗要求；

s2、通过嵌入式软件控制单片机产生满足治疗要求的低频信号、强度可调的直流功率信号和中频信号；

s3、利用低频信号对直流功率信号进行预调制，获得具有低频调制特征的预调制直流功率信号；

s4、将中频信号和预调制直流功率信号输入快速开关电路，通过中频信号控制电路开关换向，获得已调制的中频功率信号。

进一步的，所述治疗要求包括治疗波形、治疗频率和治疗功率强度。

进一步的，所述治疗波形包括正弦波、三角波、锯齿波、梯形波、指数波和矩形波。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器及其方法，本发明装置和方法取消了传统治疗仪电路的由低频信号对中频进行调制，再进行中频功率放大的设计思路，改为由低频信号对直流功率输出进行预调制，在已取得具有低频调制特征的直流功率信号的基础上，由宽频逆变单元转化为中频输出，通过本发明装置和方法能得到同样效果且高频特性更好的输出信号。本发明装置以数字电路取代传统线性电路，预调制功率输出单元、宽频逆变单元等均采用数字控制技术，不使用线性功率放大器，不使用输出变压器，相关数字电路中的功率元件都工作在开关状态下，自身热损耗很低，工作效率可达80％以上，解决了电路发热严重的问题。此外，因为取消了传统线性功率放大器中的输出变压器，不受变压器频带较窄的限制，在1～100khz宽频范围内可以输出强度均匀且失真很小的信号，突破现有技术条件下治疗仪的15khz的频率上限，实现全频域的中频电流输出。

附图说明

图1为本发明一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器的结构示意图。

图2为本发明实施例中宽频功率输出器的电路示意图。

图3为本发明一种基于预调制宽频功率输出器的功率输出方法的步骤流程图。

图4为传统功率输出电路的工作原理图。

图5为本发明宽频功率输出器的工作原理图。

图中，1是治疗输入单元，2是低频信号单元，3是预调制功率输出单元，4是中频信号单元，5是宽频逆变单元，6是单片机，7是数模转换器，8是第一输出线，9是第二输出线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

一种用于中频治疗仪的预调制宽频功率输出器及其方法，如图1所示，包括治疗输入单元1、低频信号单元2、预调制功率输出单元3、中频信号单元4和宽频逆变单元5，治疗输入单元分别连接低频信号单元、预调制功率输出单元和中频信号单元，低频信号单元连接预调制功率输出单元的一端，预调制功率输出单元的另一端和中频信号单元分别连接宽频逆变单元一端，宽频逆变单元的另一端连接外部治疗电极片。为保证治疗安全，本预调制宽频功率输出器还可以设置恒流输出、电极脱落保护等附属单元，分别与预调制功率输出单元、宽频逆变单元相连。

如图2所示，治疗输入单元主要包括显示屏和键盘，键盘用于输入中频治疗仪的治疗要求，显示屏用来显示键盘输入的内容和本预调制宽频功率输出器的工作状态，本输出器涉及的治疗要求包括治疗波形、治疗频率和治疗功率强度等，其中，治疗波形包括正弦波、三角波、锯齿波、梯形波、指数波和矩形波等波形，治疗频率包括中频频率和低频频率，且频率不固定，会随着时间推移按程序设定不断变化。为了简化输入操作，治疗输入单元中可以预先设置一些常用的治疗要求，在用户使用时可以直接通过键盘选择预设置的治疗要求进行治疗，也可以自定义治疗要求。治疗输入单元会将用户输入的治疗要求转换为电信号传输给其他单元。

低频信号单元主要用于根据治疗波形和治疗频率要求产生0～150hz的低频信号，低频信号的频率在0～150hz内变化，低频信号的波形为治疗波形。低频信号单元主要包括单片机6和数模转换器7，单片机的一端连接治疗输入单元，单片机的另一端连接数模转换器，单片机接收来自治疗输入单元的治疗波形和治疗频率要求，通过嵌入式的软件分析要求后输出数字信号，数字信号经过数模转换器形成具有一定波形的低频信号，此处的数模转换器为权电阻网络dac。

预调制功率输出单元包括单片机、可控功率开关元件和配套电路，预调制功率输出单元接收来自单片机的强度信号和来自低频信号单元的低频信号，控制可控功率开关元件和配套电路产生强度可调的直流功率信号，并根据低频信号调制直流功率信号的幅度，输出预调制直流功率信号，预调制直流功率信号的波形符合低频信号的波形特征，比如低频信号是正弦波，那其调制的预调制直流功率信号的振幅波形就也是正弦波。预调制功率输出单元的输出强度受单片机控制，可以在零到最大输出强度之间调节。预调制功率输出单元中的可控功率元件，工作于快速开关状态，可有效降低功耗和发热量，提高了电路的工作效率。在治疗仪所要求的电流输出强度下，不使用散热器可以正常工作。

中频信号单元采用单片机6，单片机的一端连接治疗输入单元，接收治疗输入单元的信号，根据治疗频率要求产生1～100khz的中频信号，单片机的另一端分别连接第一输出线8和第二输出线9，第一输出线和第二输出线分别连接宽频逆变单元，将中频信号传输传输到宽频逆变单元。

由于低频信号单元、预调制功率输出单元和中频信号单元都用到了单片机，在实际运用中，可以使用不同的单片机分别实现低频信号、强度信号和中频信号的输出功能，也可以利用同一个单片机实现上述功能。如图2所示，当只是用一个单片机时，可以利用单片机内的算术逻辑单元alu和嵌入式软件接收、分析治疗输入单元信号，产生预调制功率输出单元需要的强度信号，并通过定时/计时器产生中频信号和低频数字信号，然后通过数模转换将低频信号转换成低频模拟信号，即本发明需要的低频信号，其中，数模转换的方式有两种：1、利用pwm和滤波电路进行数模转换；2、给单片机外接一个数模转换器，利用数模转换器实现数模转换。

宽频逆变单元主要用于接收中频信号和预调制直流功率信号，并在中频信号控制下，将预调制直流功率信号调制为中频功率信号，然后将中频功率信号传输给外部治疗电极片，实现治疗功能。宽频逆变单元是由4组电子开关元件组成的快速开关电路，每个电子开关元件均设有3个引脚，如图2所示，第一电子开关k1的1引脚和第三电子开关k3的1引脚分别连接第一输出线，第二电子开关k2的1引脚和第四电子开关k4的1引脚分别连接第二输出线，第一电子开关k1的2引脚和第二电子开关k2的2引脚分别连接预调制功率输出单元的输出端正极，第三电子开关k3的2引脚和第四电子开关k4的2引脚分别连接预调制功率输出单元的输出端负极，第一电子开关k1的3引脚和第四电子开关l4的3引脚共同连接一个外部治疗电极片，第二电子开关k2的3引脚和第三电子开关k3的3引脚共同连接另一个外部治疗电极片。

中频信号单元的2根输出线分别为相位相反的中频信号，k1、k3受中频信号正半周控制，k2、k4则受中频信号负半周控制。当中频信号为正半周时，k1、k3导通，k2、k4关闭，宽频逆变单元输出的中频功率信号经过负载的流动方向是由上到下；当中频信号为负半周时，k2、k4导通，k1、k3关闭，宽频逆变单元输出的中频功率信号经过负载的流动方向是由下到上；通过中频信号的不断调制，可以在负载处得到方向交变的中频功率信号。由于宽频逆变单元的k1～k4均为开关电路，只有开启和关闭2种工作状态，不会影响所通过信号的强度且自身功耗很低，所以输出的中频功率信号完整保留了预调制直流功率信号的低频调幅特征，即实际得到的中频功率信号，就是治疗仪所需要的低频调制中频信号。

本实施例未限制宽频逆变单元中的k1～k4的具体电路结构，在实际使用中可以依据装置所要求的开关速度，使用三极管、场效应管、可控硅等元件组成开关电路。

一种基于预调制宽频功率输出器的功率输出方法，如图3所示，具体包括以下步骤：

s1、根据治疗需求录入中频治疗仪的治疗要求，治疗要求包括治疗波形、治疗频率和治疗功率强度，其中，治疗波形包括正弦波、三角波、锯齿波、梯形波、指数波和矩形波等。治疗要求可以是人工手动录入的、电子导入的，或者直接在显示屏上选择预先设置好的治疗要求。

s2、通过嵌入式软件控制单片机产生满足治疗要求的低频信号、强度可调的直流功率信号和中频信号，嵌入式软件分析s1的治疗要求，根据其要求的治疗波形、治疗频率和治疗功率强度控制单片机产生需要的信号。

s3、利用低频信号对直流功率信号进行预调制，获得具有低频调制特征的预调制直流功率信号。

s4、将中频信号和预调制直流功率信号输入快速开关电路，通过中频信号控制电路开关换向，获得已调制的中频功率信号。

图4是传统中频功率输出电路的工作原理图，图5是本发明功率输出器的工作原理图，本发明与传统技术在低频信号调制和功率信号的产生方式上均不相同。传统技术一般直接通过低频信号对中频信号进行调制，对调制后的中频信号进行功率放大，然后经过变压器再输出给治疗电极片，此过程中用到功率放大器和变压器，工作效率不佳，效果也不够好。本发明装置和方法通过低频信号直接对直流功率信号进行预调制，获得具有低频调制特征的预调制直流功率信号，再由中频信号控制快速开关换向电路，将预调制直流功率信号变换为已调制的中频功率信号。宽频逆变单元能够响应单片机产生的1～100khz中频信号，从而实现了治疗仪在中频范围全频域的输出。

本发明宽频功率输出器及其方法具有以下优势：1、取消了传统治疗仪电路的由低频信号对中频进行调制，再进行中频功率放大的设计思路，改为由低频信号对直流功率输出进行预调制，在已取得具有低频调制特征的直流功率信号的基础上，由宽频逆变单元转化为中频输出，得到同样效果且高频特性更好的输出信号。2、以数字电路取代传统线性电路，预调制功率输出单元、宽频逆变单元等均采用数字控制技术，所有元件可使用表面贴片元器件smd和表面贴片工艺smt，有利于简化生产工艺，缩小产品设备体积，在规模生产的条件下，还可以进一步做成集成电路，以充分体现产品工艺优势和生产成本优势。3、不使用线性功率放大器，不使用输出变压器，相关数字电路中的功率元件都工作在开关状态下，自身热损耗很低，工作效率可达80％以上，解决了电路发热严重的问题。4、因为取消了传统线性功率放大器中的输出变压器，不受变压器频带较窄的限制，在1～100khz宽频范围内可以输出强度均匀且失真很小的信号，突破现有技术条件下治疗仪的15khz的频率上限，实现全频域的中频电流输出。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。