电阻抗成像压控电流源的参数匹配设计

来育红，惠小强

（1.西安邮电大学理学院，陕西西安710121；2.西安邮电大学物联网与两化融合研究院，陕西西安710061）

电阻抗成像压控电流源的参数匹配设计

来育红1，惠小强2

（1.西安邮电大学理学院，陕西西安710121；2.西安邮电大学物联网与两化融合研究院，陕西西安710061）

电压控制电流源的性能对电阻抗成像的效果影响很大，分析了由3个ICL7650S运算放大器构成的电压控制电流源电路，通过设置电路中匹配电阻的数值，使该压控电流源满足电阻抗成像系统的设计要求。仿真结果表明，该电压电流源的频率和幅值可调，在频率为10 kHz～1 MHz范围内输出波形失真小，在信号频率为50 kHz时输出阻抗可高达1.3 MΩ，信号频率小于150 kHz时输出阻抗不小于100 kΩ，满足电阻抗成像系统要求。

电阻抗成像；压控电流源；负反馈；三运放电路

0　引言

电阻抗层析成像（Electrical Impedance Tomogra⁃phy，EIT）技术是继形态、结构成像之后的新一代无损伤成像技术[1]，是根据人体中各个组织的导电参数存在较大差异这一原理来实现的[2]。EIT系统需要通过激励电路对电极输出电流信号，然而，一般正弦波信号发生器产生的是正弦波电压信号，因此需要设计出一个电压控制电流源电路把输入的电压信号转换成满足一定关系的恒流源。

关于压控电流源的设计已有很多种，其中单运放压控电流源、双运放压控电流源是比较常见的2种电路。但是单运放压控电流源电路对于选择的运放参数和外接电阻匹配程度的要求过于严格，在实际电路中难以实现。双运放电路不能消除电路的直流信号，若将输出电流施加于人体体表后就会产生极化现象，从而对测量的精准度产生影响[3]。本文考虑采用三运放转换电路，为了能够得到更加稳定的电流信号，特意在电路中引入了电压跟随器。

1　三运放VCCS的设计

考虑人体所能接受的安全电流范围及电极与皮肤之间的接触阻抗等因素[4]，在电路设计的过程中，就必须要求电路输出电流的最大幅值不得高于5 mA，这样才可安全的施用于人体。用运算放大器构成的三运放压控电流源电路如图1所示[5]。

1.1输出电流Io的计算

设图1电路中的输入电压为Vi，负载阻抗为RL，电路图中的3个运算放大器均是工作在理想状态下，通过分析可得电路的输出电流计算如下：

根据理想运算放大器“虚短”和“虚断”的原理可知：V+=V-，当R1R4=R3R2时：

由计算推导过程可看出在R2=R1的条件下，输出电流Io的大小由输入电压Vi和采样电阻R5来调节。

图1　三运放电压控制电流源电路

1.2三运放VCCS电路的构成原理

三运放电路的构成是根据Howland电流源[6]（如图2所示）改进而来的，在图2所示Howland电流源电路中，不仅引入了负反馈，同时也引入了正反馈。当满足时，通过负载电阻RL的电流等于：，为期望得到更加稳定的输出电流，在Howland电流源基础上改进，在电路中加入电压跟随器，如图3所示。

图2　Howland电流源

从图3中可明显看出，U1，U2及U3均引入了负反馈，其中U2和U3构成电压跟随器。电路中引入负反馈是因为负反馈可以稳定放大倍数，减小放大电路的非线性失真，并且能够展宽放大电路的通频带。本文的电路设计中引入了2个电压跟随器，这是因为电压跟随器能够起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

图3　改进的Howland电流源

2　电路中参数的设定及仿真结果

2.1运算放大器的选择及匹配电阻大小的设置

在电路设计中需要综合考虑设计目标的信号电平、闭环增益、要求精度、所需带宽、电路阻抗等其他因素[7]，进而确定对运算放大器的选择。本文设计电路的目标输出电流为不大于5 mA，人体皮肤阻抗一般按1 500～ 2 000 Ω计算，因此输出端所需的最大输出电压约为10 V。由运算放大器的输出和输入转移特性曲线可知，电路中为了保证运放在线性工作区，任何输入/输出信号的幅值都不得高于运放的总电源电压，因此本文选择使用总电源电压为±3～±18 V的ICL7650S运算放大器，该运算放大器的一些主要参数如表1所示。

表1　ICL7650S运算放大器主要参数表

图1中的R1～R4的匹配程度会影响恒流源的精度[8]。经过多次实验发现，当输入信号源幅值大小为5 V，频率为50 kHz时，分别设置R1=R2=R3=R4=1.2 kΩ，R5=2 750 Ω，可使得输出电流幅值为1.82 mA，输出阻抗达到1.3 MΩ的高输出阻抗，恒流源达到相对较好的性能。

2.2电路仿真结果

采用Multisim 12.0电路仿真软件对设计电路进行仿真。

2.2.1电路幅频特性仿真

幅频特性是指电压放大倍数的大小与信号频率之间的关系。通过在电路中接入波特测试仪元件，仿真出电路的幅频特性曲线如图4所示。

图4　电路幅频特性曲线

由图4看出，随着信号频率的增加，电路对电压的放大能力逐渐减小。当信号源频率超过1 MHz时，电路的放大能力显著减小。

2.2.2电路相频特性仿真

相频特性是指输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系。在波特测试仪中也可仿真出电路的相频特性曲线，如图5所示。

图5　电路相频特性曲线

从图5中可看出，随着信号频率的增加，输入与输出信号的相位差会越来越大，当频率超过600 kHz时，产生的相位差将大于40°，对电流源性能产生较大影响。

3　信号源的性能测试

电压控制电流源的性能是EIT激励电路性能的基石，主要的性能指标包括线性度及输出阻抗。

3.1线性度

线性度是表征电路的输出与输入比例关系能否与理论值吻合的一种度量。高线性度的电压控制电流源能够避免EIT系统的激励电路超过安全电流幅值[9]。

在本文电路的设计中，设置了R1=R2=R3=R4，这样输出电流的大小将变为：，仿真及实际电路中R5=2 750 Ω，则电路中输出电流的理论值可由公式直接计算得出，实测Io为负载RL在1 500～ 2 000 Ω之间变化时仿真电路测得的值。

表2为当输入电压Vi在5～14 V之间变化时，电路的输出电流理论值与实测值进行对比的结果。

为了直观说明电压控制电流源电路的线性度，在图6中画出了输入电压与实测输出电流的关系。

经过分析表2中的数据发现，电路在输入电压为5～ 14 V范围内，输出电流的理论值与仿真值的相对误差控制在0.4%以内，再根据图6所示，可验证本电路满足EIT系统中对电流源高线性度的要求。

表2　电压控制电流源Vi～Io关系表

图6　电压控制电流源线性度

3.2输出阻抗

EIT数据采集系统要求电压控制电流源的输出阻抗要在100 kΩ以上，远远大于负载阻抗[9]。为了能够减小对负载的分流，需要在设计电路过程中尽可能地提高电流源的输出阻抗。

3.2.1输出阻抗的测量原理

电压控制电流源工作时，输出阻抗ZS相当于并联于电路的输出端，当输出端负载的电流值减小，意味着输出端负载的电压值同样减小，减小幅度应当与输出阻抗ZS和负载阻抗大小的比值相符。基于这样的原理就可以对电压控制电流源进行输出阻抗的测量[10]。测量原理图如图7所示。

图7　VCCS输出阻抗测量原理图

图7中ZS为电压控制电流源的输出阻抗；RL为负载（即人体）。不改变电压控制电流源的输入正弦波幅值和频率，仅改变RL数值，可得到2个等式：

将式（3）和式（4）进行相减并进行变形整理可得输出阻抗ZS，即为：

3.2.2输出阻抗的测量值

输入幅值为5 V，频率为50 kHz的正弦电压信号，改变负载电阻RL的数值，并测量负载电阻RL两端的电压值，如表3所示。

表3　VCCS输出阻抗的测量

将以上数据代入式（5）计算可得ZS=1.36 MΩ。

3.2.3输出阻抗与频率变化关系

在本文的电路设计中，将各个匹配电阻值的大小设定为R1=R2=R3=R4=1.2 kΩ，R5=2 750 kΩ，计算在信号源分别处于不同的工作频率时输出阻抗的大小，并将输出阻抗与信号源频率之间的关系用线性图表示出来，如图8所示。

图8　电流源输出阻抗⁃频率变化关系

从信号源频率与输出阻抗线性图可以看出，本文设计的信号源具有足够宽的工作频率，因为当信号频率从50 kHz变化到800 kHz时，虽然输出阻抗的大小在逐渐减小，但是却依旧维持在kΩ级水平，因此该信号源拥有足够宽的工作频率。同时从图8可以看出，为了使电路的输出阻抗能够达到100 kΩ以上，来满足EIT系统中对电流源的要求，须要控制电路的工作频率在150 kHz范围以内。

4　结语

本文设计和实现的信号源在反馈回路中加入了输入阻抗极高的电压跟随器来降低反馈电流，有效地避免了在生物体中产生极化现象[11]。实验结果表明基于ICL7650S改进的Howland电路输出电流线性度误差小于0.4%，在150 kHz以下工作频率时输出阻抗大于100 kΩ，并且在0～1 MHz测试范围内具有输出波形失真小、幅值稳定，且频率、幅值可调等优点，表现出了很好的性能。但是，本文电路中的不足之处是，在工作频率超过600 kHz时电路输入输出信号会产生较大的相移，本问题会在以后的工作中深入探讨。

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Parameter matching design for voltage⁃controlled current source of EIT

LAI Yuhong1，XI Xiaoqiang2
（1.School of Science，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China；2.Institute of Internet of Things and IT⁃based Industrialization，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710061，China）

The performance of the voltage⁃controlled current source（VCCS）has great effect on the result of electrical im⁃pedance tomography（EIT）.The VCCS circuit composed of three ICL7650S operational amplifiers is analyzed.The VCCS can satisfy the design requirements of EIT system by setting the matching resistance value in the circuit.The simulation results show that the frequency and amplitude of the VCCS are adjustable，the output waveform has small distortion in the range of 10 kHz～ 1 MHz，the output impedance can reach up to 1.3 MΩ when the signal frequency is 50 kHz，and the output impedance is not less than 100 kΩ when the signal frequency is less than 150 kHz，which satisfies the requirements of EIT system.

electrical impedance tomography；voltage⁃controlled current source；negative feedback；three⁃operational am⁃plification circuit

TN710⁃34；TM135

A

1004⁃373X（2016）02⁃0126⁃04

10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.02.035

来育红（1990—），女，陕西咸阳人，硕士研究生。研究方向为图像处理。

惠小强（1974—），男，陕西长安人，教授，博士。研究方向为量子信息、图像处理。

2015⁃07⁃08

国家自然科学基金资助项目（11475135）