使用脉冲D类放大器生成正弦波的制作方法

使用脉冲d类放大器生成正弦波
技术领域
1.本发明整体涉及电子电路，具体地涉及高功效正弦波振荡器。


背景技术：

2.正弦波发生器(有时称为正弦波逆变器或正弦波振荡器)将来自功率源的直流电(dc)转换成交流电(ac)正弦波信号。正弦波发生器在工业中是常见的，并且用于许多应用中。在人体心脏内医学规程的领域中，例如，在诸如心脏消融或对心导管插入术中插入心脏内的电极的阻抗进行测量的规程中，可使用正弦波发生器。
3.生成正弦波的技术概述于例如标题为“an
‑
263sine wave generation techniques”(snoa665c,1999年10月,2013年4月修订)的texas instrument申请说明书中。
4.美国专利4,415,962描述了一种生成正弦波的技术，包括提供基本上恒定的电流的两个电流源。电流源用于产生互补正弦波，该互补正弦波能够更容易地被组合以产生ac输出波形。
5.在“design and analysis of a low cost wave generator based on direct digital synthesis,”hindawi journal of electrical and computer engineering,第2015卷,文章id 367302,2015年11月中，qi等人描述了一种基于直接数字合成(dds)技术的小型且高度准确的经济性信号发生器，其能够提供实验中常用的波信号。


技术实现要素：

6.本文所述的本发明的实施方案提供了一种正弦波发生器，该正弦波发生器包括谐振器电路、控制电路和脉冲发生器。谐振器电路被配置为接收能量脉冲并且响应于能量脉冲而生成谐振器正弦信号。控制电路被配置为估计谐振器正弦信号或来源于谐振器正弦信号的信号的信号量度。脉冲发生器被配置为响应于由控制电路估计的信号量度而生成能量脉冲，并且用能量脉冲驱动谐振器电路。
7.在一个实施方案中，控制电路被配置为触发脉冲发生器，以与谐振器正弦信号或来源于谐振器正弦信号的信号的相位同步地生成能量脉冲。在另一个实施方案中，控制电路被配置成通过估计指示谐振器正弦信号或来源于谐振器正弦信号的信号的电压或电流的量度来估计信号量度。在另一个实施方案中，控制电路被配置成通过估计指示谐振器正弦信号或来源于谐振器正弦信号的信号的相位的量度来估计信号量度。
8.在所公开的实施方案中，谐振器电路被配置为输出谐振器正弦信号作为正弦波发生器的输出。在一个实施方案中，正弦波发生器还包括变压器，该变压器被配置为响应于谐振器正弦信号而生成正弦波发生器的输出。正弦波发生器还可包括串联电容器，该串联电容器被配置为防止dc输出。
9.在一个示例性实施方案中，正弦波发生器还包括电流保护电路，该电流保护电路被配置为将正弦波发生器的输出的电流或电压限制到预定义的电流限制。在另一个实施方案中，控制电路被配置为设定由脉冲发生器生成的能量脉冲的脉冲宽度。在另一个实施方
案中，控制电路被配置为设定由脉冲发生器生成的能量脉冲的脉冲幅度。
10.根据本发明的实施方案，还提供了一种用于正弦波生成的方法，该方法包括使用谐振器电路，接收能量脉冲并且响应于能量脉冲而生成谐振器正弦信号。估计谐振器正弦信号或来源于谐振器正弦信号的信号的信号量度。响应于由控制电路估计的信号量度而生成能量脉冲，并且用能量脉冲驱动谐振器电路。
附图说明
11.结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
12.图1为根据本发明的示例性实施方案的用于执行心脏内医学规程的电解剖系统的示意性图解；
13.图2为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的正弦波发生器的电路图；
14.图3为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的脉冲发生器和谐振器的电压相对于水平时间轴的曲线图；并且
15.图4为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的用于生成正弦波的方法的流程图。
具体实施方式
16.概述
17.正弦波发生器(其有时称为正弦波振荡器或正弦波逆变器)用于许多应用中，包括医疗、仪器、通信、雷达、声纳和许多其他应用。
18.用于生成正弦波的常规电路包括例如维恩电桥振荡器、相位位移振荡器、考毕兹晶体振荡器，以及采用滤波的正弦逼近(数字化或以其他方式)。这些和其他技术描述于以上引用的“an
‑
263sine wave generation techniques”中。
19.一些逼近技术包括生成矩形波，然后对该矩形波进行滤波以获得良好的正弦波逼近。在那些情况下，矩形波可由高效的d类放大器生成；然而，矩形波在奇次谐波中包括大量能量(π2/8
‑
1，或约23％)；因此，对谐波进行滤波将显著降低振荡器的效率。
20.本文所公开的本发明的示例性实施方案提供了用于高效正弦波生成的改进的方法和设备。在一些示例性实施方案中，正弦波发生器包括有效地生成矩形脉冲的d类放大器，以及耦合到d类放大器并以期望频率振荡的谐振器。正弦波发生器的负载可直接连接到谐振器，或者耦合到谐振器；例如，通过变压器或电容器。
21.在一些示例性实施方案中，谐振器以特征谐振频率(例如1/(2*π*平方根(l*c))振荡。由谐振器产生的正弦信号在本文称为“谐振器正弦信号”。在一些示例性实施方案中，谐振器正弦信号具有随时间衰减的包络幅度，并且当谐振器正弦信号的幅度下降到预设阈值以下时，d类放大器用矩形脉冲刺激谐振器。在一些示例性实施方案中，d类脉冲的定时与谐振器正弦信号的相位同步。
22.在一些其他示例性实施方案中，正弦波发生器被配置成通过改变d类放大器生成的脉冲宽度来调节正弦波发生器向负载递送的电压和/或电流。在下文将描述的示例性实施方案中，正弦波发生器包括被配置为执行上述控制和调节功能的控制电路。
23.在一些其他示例性实施方案中，正弦波发生器被配置成通过改变d类放大器生成的脉冲幅度来调节正弦波发生器向负载递送的电压和/或电流。
24.在一些其他示例性实施方案中，正弦波发生器被配置成通过改变d类放大器生成的脉冲宽度和脉冲幅度来调节正弦波发生器向负载递送的电压和/或电流。
25.更多细节将参考下文的示例性实施方案进行描述。
26.系统描述
27.图1为根据本发明的实施方案的用于执行心脏内医学规程的电解剖系统21的示意性图解。在一些实施方案中，系统21用于对患者执行心脏消融规程。
28.图1描绘了医师22使用电解剖导管23在患者25的心脏24内执行消融规程。导管23包括处于其远侧端部的一个或多个诊断电极26，以及至少一个消融电极28。应当理解，仅为了简化起见，图1示出了具有三个电极的导管；在另选的实施方案中，可使用相同或不同类型的其他电极。电极通过连接器32耦合到监测和控制单元34。
29.在消融规程期间，医师可使用超出本公开范围的跟踪和引导技术将消融电极28定位在医师希望消融的心脏区域处或其附近。一旦消融电极就位并且所有其他准备规程完成，医师就可通过经由消融电极向心脏内的消融区域施加高能量消融信号来开始消融。根据图1所述的示例性实施方案，消融信号为正弦波。
30.监测和控制单元34包括高效正弦波发生器38，该高效正弦波发生器被配置成通过利用d类放大器所生成的能量脉冲周期性地激励谐振器来生成正弦波。根据示例性实施方案，正弦波振荡器生成的电压和电流自动地调节，并且发生器的功率效率较高。
31.图1主要示出了与本发明的实施方案相关的部分；具体地，图1集中于监测和控制单元34的正弦波发生器38。省略其他系统元件，诸如处理器、信号采集系统、外部ecg记录电极以及它们的连接、滤波、数字化、保护电路等。然而，为了清楚和完整起见，监控器52以患者25的心脏24的图像50示出。
32.图2为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的正弦波发生器38(图1)的电路图。正弦波发生器38被配置成将输出正弦波施加到负载，诸如消融电极28(图1)。正弦波发生器包括：脉冲发生器200，该脉冲发生器被配置为生成通常呈矩形波电压脉冲形式的能量脉冲；d类放大器202，该d类放大器被配置为放大能量脉冲；切换装置/耦合器204；谐振器206；变压器208，该变压器被配置为将谐振器正弦信号转换为输出正弦信号，同时将ac电压改变为期望的输出电压；以及控制电路214，该控制电路被配置为控制脉冲发生器200的操作。
33.在一些示例性实施方案中，脉冲发生器200接收来自控制电路214的触发指示，并且作为响应而生成脉冲。在一些示例性实施方案中，脉冲高度可高达1kv；在一个实施方案中，脉冲可由场效应晶体管(fet)产生。响应于脉冲发生器从控制电路接收的脉冲宽度输入，脉冲的宽度得到确定；在一个示例性实施方案中，脉冲宽度可在0.1微秒与1微秒之间变化，但也可使用任何其他合适的值。
34.d类放大器202耦合到dc功率源，并且被配置为放大脉冲发生器200的矩形波输出。d类放大器202的输出包括能量脉冲，该能量脉冲为正弦波发生器38向负载递送的正弦波的功率源。
35.切换装置/耦合器204被配置为将d类放大器输出的脉冲耦合到谐振器206。在一些
示例性实施方案中，切换装置/耦合器204包括可操作以仅在存在脉冲时才将d类放大器耦合到谐振器(以便在不存在脉冲时不将谐振器短路到0)的切换装置；在其他实施方案中，切换装置/耦合器包括二极管。在一个实施方案中，切换装置/耦合器还包括电容器，并且耦合是电容性耦合。
36.谐振器206包括电容器210和电感器212。一旦被激励，谐振器就以频率f＝1/(2*π*平方根(l*c))振荡，其中其阻抗是最大值(理论上无穷大)。谐振器输出端子之间的信号被称为谐振器正弦信号。
37.在一些示例性实施方案中，控制电路214被配置为监控正弦波发生器施加到负载的峰到峰(ptp)电压和/或峰到峰电流(下文称为正弦信号的“信号量度”)。当电压和/或电流下降到预设阈值以下时，控制电路向脉冲发生器200发送触发脉冲，从而引发另一个脉冲的生成，这另一个脉冲以额外的能量激励谐振器206。
38.根据示例性实施方案，耦合至谐振器的脉冲必须与谐振器中电压的相位同步。为此，控制电路214还监控谐振器的相位测量，并且使触发输出定时，使得新脉冲将与谐振器中的振荡同步。
39.在一些示例性实施方案中，控制电路214还被配置为控制脉冲发生器200生成的脉冲的宽度。更宽的脉冲通常传输更多的能量，代价是正弦波失真。
40.最后，正弦波发生器38可任选地包括保护电路216，该保护电路被配置为将经过负载的电流限制到预定义的电流限制，并且/或者将施加到负载的输出信号的电压限制到预定义的电压限制。
41.概括地说，根据图2所示的示例性实施方案，被矩形脉冲激励的谐振器生成正弦波，并且通过变压器驱动负载；当振荡衰减到阈值以下时，控制电路在适当相位处触发新脉冲。矩形脉冲由高效的d类放大器放大，并因此正弦波发生器的总体效率可较高。
42.在一个示例性实施方案中，正弦波的频率为0.5mhz，并且d类放大器发送到谐振器的脉冲的电压高达200v(对应于90w的最大消融功率，假设250ohm负载)。这些数值纯粹以示例的方式选择。在另选的示例性实施方案中，可使用任何其他合适的数值。
43.应当理解，图2中所示的示例性电路图纯粹是为了概念清晰而示出的。在本发明的另选的示例性实施方案中，例如，在一些或所有的电路元件中可使用负信号而非正信号。在其他示例性实施方案中，一些或所有的元件200、202、204、206和208可具有单极性而非双极性输入和/或输出(以公共接地为参考)。在一些示例性实施方案中，不存在变压器，并且谐振器输出直接耦合至负载；在一个实施方案中，谐振器通过电容器耦合至负载，并且在另一个示例性实施方案中，变压器通过电容器耦合至负载，以防止dc电流。
44.在一些示例性实施方案中，谐振器202可由如本领域所公知的具有多个级的更复杂的谐振器替代。
45.在一些示例性实施方案中，切换装置/耦合器204被省略；相反，d类放大器被配置为“开放漏极”(例如，d类放大器仅在输入脉冲较高时才驱动输出)。
46.在一些示例性实施方案中，使用均方根(rms)而非ptp感测电压和/或电流；在其他实施方案中，ptp测量是低通滤波的。在另一个示例性实施方案中，不进行电压或电流的感测，并且脉冲发生器200生成的脉冲的定时是固定的(例如，在固定负载的应用中)。
47.参考图2描述的一些电路元件可以彼此合并，和/或以不同的方式细分；例如，脉冲
发生器可以与d类放大器和/或控制电路合并。
48.图3为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的脉冲发生器200和谐振器206(图2)的电压相对于水平时间轴的曲线图300。脉冲发生器施加与谐振器电路中的正弦波304同相位的脉冲302。除了谐振器未振荡时开始的第一脉冲302之外，所有的脉冲302均在正弦波处于局部最大值时生成。
49.如虚线箭头所指出，当振荡峰值电压下降到标记阈值以下时，控制电路生成新脉冲302；新脉冲恢复了振荡幅度。
50.应当理解，衰减速率和相对阈值位置仅作为示例示出；在一些实施方案中，可使用其他速率和相对阈值。
51.图4为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的用于生成正弦波的方法的流程图400。该流程图由图2所示的正弦波发生器的相关部件执行，包括脉冲发生器200、d类放大器202、切换装置/耦合器204、谐振器206和控制电路214。
52.该流程图始于发送高能量脉冲步骤402，其中脉冲发生器生成脉冲，d类放大器放大该脉冲，并且切换装置
‑
耦合器将放大的脉冲发送到谐振器，该谐振器开始振荡，向负载发送正弦波。
53.接着，在测量ptp步骤404中，控制电路测量发送到负载的正弦波的电压和/或电流。在比较电压/电流步骤406中，控制电路将电压或电流的测量值与预设阈值进行比较。只要电压或电流不低于预设阈值，控制电路就将保持在包括步骤404和406在内的循环中。当电压/电流下降到阈值以下时，控制电路将进入同步到相位步骤408，等待正弦波的合适相位(例如90
°
)，然后重新进入步骤402，以生成另一个脉冲并向谐振器注入更多能量。
54.应当理解，图4中所示的示例流程图纯粹是为了概念清晰而示出的。在另选的实施方案中，可使用其他合适的流程图。例如，流程图400可包括评估输出正弦信号中的失真并相应地调整控制单元施加到脉冲发生器的脉冲宽度的步骤。在一些实施方案中，流程图400中的一些或所有步骤可同时执行。
55.在各种示例性实施方案中，正弦波发生器38的不同元件可使用合适的硬件来实现，诸如一个或多个专用集成电路(asic)、一个或多个现场可编程门阵列(fpga)、离散部件或它们的组合。
56.虽然本文所述的示例性实施方案主要针对心脏内应用诸如心脏消融，但是所公开的技术也可用于生成正弦波以用于测量心脏内导管电极的阻抗，和/或用于测量与组织或组织附近的接触。此外，本文所述的方法和系统也可用于其他应用，包括使用正弦波信号的其他合适的领域。
57.因此应当理解，上面描述的实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文特定示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到该变型和修改，并且该变型和修改并未在现有技术中公开。