無框架立體定位神經(jīng)外科手術(shù)機器人多功能TENS發(fā)生器的研制論文

畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 作 者 : 學(xué)號 ： 學(xué)院 (系 ): 機械工程學(xué)院 專 業(yè) : 機械工程及自動化 題 目 : 無框架立體定向神經(jīng)外科手術(shù)機器人 多功能 TENS 發(fā)生器的研制 指導(dǎo)者 ： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 評閱者 ： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要 本論文在簡單介紹了有關(guān) TENS（經(jīng)皮神經(jīng)電刺激）的理論后，針對目前市場上 TENS產(chǎn)品形式單一等不足，設(shè)計出一款多功能 TENS 發(fā)生器。該發(fā)生器主要具有性能穩(wěn)定、功能齊全，易于擴展、編程 容易、操作簡單等特點。論文詳細地介紹了該儀器的各部分硬件組成，包括單片機控制部分、 D/A 轉(zhuǎn)換部分、 V/F 轉(zhuǎn)換以及功率放大部分。在對目前已經(jīng)制作完成的核心電路進行實際測試以后，論文對測試結(jié)果做出討論 ,并做了誤差分析。論文還列舉了一個實際應(yīng)用的例子。最后，筆者對該設(shè)計進行了較為全面和客觀的評價并對產(chǎn)品地市場前景做出科學(xué)地預(yù)測。 關(guān)鍵 詞 TENS 發(fā)生器 多功能 應(yīng)用簡單 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要 Title Design of Multi-functional TENS Apparatus Abstract This article briefly introduces theory about TENS( transcutaneous electrical nerve simulation), later in view of TENS productions simplification in function, designs a multi-functional TENS apparatus. This apparatus is special at steady-going, multi-functional, easy to extend, program and operate. This article particularly discusses about the hardware, containing the parts of the control of single-chip, D/A conversion, V/F conversion and power magnification. Easy to program becomes a very outstanding characteristic of the apparatus of the design, because of the special designed hardware. After the debugging of the core circuit accomplished, this article analyses the result, especially studies the error. Later it gives out an practical example about how to set parameter and program. In end the author evaluate the design generally and impersonally, at the same time forecasts the designs market foreground. Keywords TENS apparatus multi-functional easy to use 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 目 次 1 引言 . 1 1.1 TENS 發(fā)展簡史 . 1 1.2 TENS 作用機制 . 1 2 TENS 儀器特征確定 . 3 2.1 波形 . 3 2.2 頻率 . 3 2.2.1 低頻電刺激 . 3 2.2.2 中頻電刺激 . 4 2.3 刺激強度 . 4 2.4 電極 . 5 3 硬件設(shè)計 . 6 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計思想 . 6 3.2 單片機控制部分 . 7 3.3 D/A 轉(zhuǎn)換部分 . 8 3.4 V/F 轉(zhuǎn)換部分 LM331 . 9 3.4.1 LM331 芯片介紹 . 9 3.4.2 LM331 芯片 V/F轉(zhuǎn)換電路 . 9 3.4.3 轉(zhuǎn)換倍數(shù)計算 .11 3.5 功率放大器 . 11 3.6 硬件原理圖 . 12 4 軟件設(shè)計 . 14 4.1 整體功能設(shè)計 . 14 4.2 軟件設(shè)計說明 . 14 5 現(xiàn)有實驗電路介紹 . 15 5.1 硬件部分 . 15 5.2 軟件部分 . 19 5.3 實驗結(jié)果 . 20 5.4 實驗結(jié)果分析 . 22 6 實際應(yīng)用舉例 . 25 6.1 功能假設(shè) . 25 6.2 硬件參數(shù)確立 . 25 6.3 程序編寫 . 25 7 設(shè)計評價 . 29 7.1 功能評價 . 29 7.2 市場前景分析 . 30 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻 33 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 1 頁 共 33 頁 1 引言 TENS( transcutaneous electrical nerve simulation 經(jīng)皮神經(jīng)電刺激 )現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療保健的許多 場合上 ，各種產(chǎn)品種類豐富，良莠不齊。針對目前市場上 TENS產(chǎn)品形式和功能較為單一的情況，本設(shè)計主要完成一個真正實際有效的多功能 TENS發(fā)生器的設(shè)計，通過實驗分析不同形式的波形對生命體組織的不同刺激作用，并且期望在其基礎(chǔ)上作“ TENS 對生命體的作用機制”的初步探究。 由于目前仍處于實驗階段，該發(fā)生器應(yīng)具 有性能穩(wěn)定、功能齊全，易于擴展、編程容易、操作簡單等特點。 1.1 TENS 發(fā)展簡史 TENS的最初的應(yīng) 用可以追溯到兩千多年前的古埃及 ,從那時留傳下來的壁畫可以看出 ,當(dāng)時就曾有人使用帶電的 Jelly 魚治療各種痛癥 （ 1） 。上個世紀 60 年代， Shealey通過錐板切開方法將電極置于脊髓背側(cè)柱表面的蛛網(wǎng)膜下腔來刺激脊髓進行實驗，探討電刺激對人體的作用。隨后到 1975 年， Dooley 提出了經(jīng)皮穿刺將電極置人脊髓背側(cè)硬膜外腔的新方法 ，該實驗標(biāo)志著“經(jīng)皮神經(jīng)電刺激”方法的誕生 （ 2） 。 從 70 年代末期， TENS 風(fēng)靡 整個歐洲及美國 ，被廣泛地用來 治療 包括 幾乎所有疼痛類型在內(nèi)的成千上萬名患者 ，例如牙疼、燒傷、關(guān)節(jié)炎、背疼、頭疼、肌肉疼痛等 。 最近幾年來， TENS 更是得到了廣泛的利用，被應(yīng)用在美容、催眠、麻醉、術(shù)后反胃或嘔吐、神經(jīng)衰弱、糖尿病周圍神經(jīng)病變 （ 3） 、三叉神經(jīng)痛 （ 4） 、治療半身不遂，甚至是癡呆、消沉、記憶力減退等各種領(lǐng)域。 1.2 TENS 作用機制 有關(guān) TENS 的作用機制，目前仍然沒有一個確切的說法。 1965 年 Melzack & Wall提出了痛覺閘門控制學(xué)說 (Gate Control Theory)(5)，即在脊髓內(nèi)存在具有閘門作用 的 SG細胞。當(dāng) 在外界刺激作用下， 粗纖維興奮時， SG 細胞被活化，從而抑制神經(jīng)元（背角投射細胞 ， T）接受細纖維 （也即病痛感覺） 投射的過程。由此部分解釋了電刺激的 作用 機制。 此后又有其他學(xué)者提出更多有關(guān) TENS 作用機制的假說，例如，其中一種理論認為 TENS 歸根到底是通過降低心肌耗氧量（血壓、心率下降），改善心肌供血（冠脈血流增加，左室舒張末壓下降，冠脈血流重新分布）等多方面因素來達到緩本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 2 頁 共 33 頁 解心絞痛的目的。 筆者個人比較傾向于認可閘門理論，假想神經(jīng)傳導(dǎo)也是通過一種類似載波機制的波傳導(dǎo)實現(xiàn)的， TENS 是通過放大神經(jīng)傳導(dǎo)中 的有效信號、抑制病痛信號，掩蓋病痛信號從而達到治療的目的，筆者希望在今后的學(xué)習(xí)和工作中有機會通過實踐豐富和完善自己的假想。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 3 頁 共 33 頁 2 TENS 儀器特征確定 通過資料的查閱，確定儀器的特征如下： 2.1 波形 現(xiàn)在市場上大部分 TENS 儀產(chǎn)生持續(xù)的、不對稱的平衡 單 相波型，形狀一般為變形方波，沒有直流成分，故沒有極性。 該不對稱方波通常是一個頻率較低的波形和一個頻率較高的波形的疊加。 此外，少數(shù) TENS 儀器使用 雙 相方波、調(diào)制波型等。 尚沒有證據(jù)表明一種波型的療效比另一種好。 結(jié)論：確定實驗 儀器為單相方波發(fā)生器。 2.2 頻率 用于 TENS 的刺激頻率可能有低頻（ 1000Hz 以下）、中頻（ 1000 100KHz）、高頻（ 100KHz 以上），但通常使用的是低頻，中頻也在一些場合得到使用，一般較少使用高頻。 下面再分別從低頻和高頻對 TENS 療效進行分析。 2.2.1 低頻電刺激 關(guān)于低頻電刺激對人體的作用，許多專業(yè)研究人員發(fā)表了各種不同的看法。有專家認為 0.51025Hz 的單向方波、單向方波調(diào)制中頻波、對稱或不對稱雙向方波對于鎮(zhèn)痛有最好的療效，對于不同病人，最佳鎮(zhèn)痛頻率還應(yīng)通過其在自行調(diào)節(jié)中摸索（ 7）?？偟膩碚f ，可以參考醫(yī)學(xué)上對腦波的分類：深度麻醉、昏睡、嬰兒、和智力發(fā)育不成熟的人的波，頻率為 1 3 Hz；困倦及中樞神經(jīng)抑制時的波，頻率為 4 7 Hz；清醒、安靜及閉眼時的波，頻率為 8 13 Hz；緊張、興奮和激動時的波，頻率為14 30 Hz，基本規(guī)律是隨著興奮性的上升，頻率增加，同時相干性也增加（即同時會出現(xiàn)不同形式的波形）（ 8）。 也有作者根據(jù)治療方式 將 低頻 TENS 分為三種 方式的 ：常規(guī)方式（ conventional TENS）、針刺樣方式（ acupuncture like TENS）、短暫強刺激方式（ brief intense TENS） 常規(guī) TENS： 舒適的麻顫感 ； 75100 Hz； 急慢性疼痛 、 短期止痛 針刺樣 TENS ： 14 Hz； 急、慢性疼痛 、 周圍循環(huán)障礙 、 長期止痛 短暫強刺激 TENS： 150 Hz， 0.3 ms； 肌肉強直或痙攣樣收縮 ； 用于小手術(shù)、致痛性操作過程中加強鎮(zhèn)痛效果 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 4 頁 共 33 頁 2.2.2 中頻電刺激 中頻電流與低頻電流相比有其特定的優(yōu)越性。它無電解作用，對皮膚刺激小；降低組織電阻（一對 100 2cm 的電極之間皮膚的阻抗， 50 Hz電流下為 1000左右， 4000Hz電流下為 50左右），增加作用深度等 （ 7） 。中頻電流直接用來鎮(zhèn)痛、促進血液循環(huán)、提高骨骼肌的興奮性等都有較好療效。中頻電流的用法通常有 3 種：等幅中頻電療法、干擾電療法、和最常用的調(diào)制中頻電療法。 等幅中頻電療法： 應(yīng)用頻率為 1,000 5,000Hz 的電流，常用頻率為 2,000Hz。常用于預(yù)防疤痕增生和癢痛、防止腸粘連、聲帶小結(jié)等。 干擾電療法： 同時使用兩組頻率相差 0 100Hz 的中頻電流，交叉地輸入人體，在交叉處形成差頻電流。因而該方法兼有中頻和低頻的優(yōu)點，常用于治 療各種軟組織損傷、肩周炎、關(guān)節(jié)痛、肌肉痛、神經(jīng)痛、局部血液循環(huán)障礙性疾病等。 調(diào)制中頻電療法： 載波為 2,000 5,000Hz 的方波或正弦波，調(diào)制波為 10 150Hz方波。該療法的適用范圍適合干擾電療法的所有使用范圍，同時還可用于治療小腿淋巴淤滯、結(jié)石、中心視網(wǎng)膜炎及視神經(jīng)炎等 （ 7） 。 結(jié)論：確定實驗儀器為中低頻發(fā)生器。 2.3 刺激強度 針對不同病變可使用不同強度的刺激，一般最大電流強度控制在 4 8mA 以內(nèi)，患者有輕微的震動感或蟻走感為宜 （ 9） 。 低頻電流對人體作用的數(shù)值范圍如表 （ 10） ： 電流強度 電流流入方 式 作用 100 A 體內(nèi)的電極 引起心室顫動 1mA 體外的電極 有電流刺激感 10mA 體外的電極 發(fā)生不隨意運動 100mA 體外的電極 造成心室顫動 表 1：電流對人體作用的數(shù)值范圍 結(jié)論：儀器應(yīng)能產(chǎn)生最大強度在 10mA 以內(nèi)的電流，并且需要在實驗中逐步探究刺激的強度。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 5 頁 共 33 頁 2.4 電極 電極可使用一般的普通電極，可選用鉛板、銅片電極和硅膠電極。有資料表明，同時使用四個或八個電極將受到更好的療效。有一種簡單的做法是將四個較小的電極嵌在一塊絕緣海綿上，整個海綿地大小在 100 2cm 左右，這樣可以簡化操作，將四個電極同時整齊地貼在病灶點上，無須逐個固定。電極的放置方法根據(jù)不同的應(yīng)用目的而不同，如果病灶表淺、治療部位有創(chuàng)傷、或治療部位凹凸不平時，可以將兩個電極并置采用并置法；若病灶較深，可以采用對置法 （ 9） 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 6 頁 共 33 頁 3 硬件設(shè)計 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計思想 該套硬件采用常見的單片機系統(tǒng)。單片機從 P1 口讀入用戶所選擇的工作模式，經(jīng)過處理，在 P0 和 P1 口分別輸出兩組控制不同頻率方波的數(shù)字信號。兩組數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換，變成模擬信號。兩組模擬信 號分別通過 V/F 轉(zhuǎn)換變成方波信號，經(jīng)由集成功放放大后由電極輸出。 圖 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計思想 設(shè)計思想評價與分析：該系統(tǒng)充分利用了單片機的強大輸入 /輸出和程序處理功能，可以創(chuàng)立友好的用戶界面，而且可以通過編程方便并且準確地改變輸出波形。有一種思路是簡單地直接利用單片機的端口輸出波形，雖然在硬件上可以大大簡化，但是在程序編寫上將帶來很大麻煩，尤其對于在使用過程中輸出頻率需要變化的操作模式，編寫程序?qū)⒊蔀樽璧K實驗進程的一個很大障礙，對于這樣一個正處于實驗階段的儀器，這樣做是不合適的。但是 如果通過實驗確立了合適的波形，對于程序不十分復(fù)雜的操作模式，可以選擇采用該方法。對于一些十分簡單和功能單一的操作模式，甚至可以考慮使用 555 發(fā)生器直接產(chǎn)生方波，通過每種模式接入電路的電阻不同，產(chǎn)生頻率不同的方波。這些都有待于設(shè)計完成后，經(jīng)過實際實驗再做調(diào)整。 單片機P0 D/A1 運放 1 V/F 轉(zhuǎn)換 1 單片機P1 D/A2 運放 2 V/F 轉(zhuǎn)換 2 功放 電極 1 電極 2 選擇信號 獨立調(diào)幅 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 7 頁 共 33 頁 3.2 單片機控制部分 出于從結(jié)構(gòu)簡潔和經(jīng)濟成本上的考慮，單片機選用 89C51 最小系統(tǒng)已能滿足需求，此時 EA 接高電平 （ 11） 。儀器共設(shè)置若干個（可以根據(jù)實際需求合理制定）工作模式，用戶在使用時，先按鍵選擇工作 模式，此時模式選擇信號就通過編碼器編碼，準備提供給單片機 P2 口作為模式選擇信號。然后用戶再按“開始”鍵，也即單片機的“ RESET”鍵，單片機先讀入已準備好的用戶的模式選擇信號，根據(jù)模式選擇信號轉(zhuǎn)入不同的信號輸出子程序，在 P1 和 P0 輸出相應(yīng)的波形控制信號。 詳見下圖： 圖 2 單片機控制系統(tǒng)圖 編碼器選用常用的集成電路優(yōu)先編碼器： 74LS148。該編碼器有 8 個信號輸入端，3 個二進制編碼輸出端，此外，電路還設(shè)置了輸入使能端 E0 和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志 GS。當(dāng) EI=1 時，編碼器處于非工 作狀態(tài)，此時不論 8 個輸入端為何種狀態(tài)， 3 個輸出端均為高電平。當(dāng) EI=0 時，編碼器工作，此時當(dāng)至少有一個輸入端有請求信號（邏輯為 0）時，優(yōu)先編碼器工作狀態(tài) GS=0，表明編碼器處于工作狀態(tài)，則對請求信號優(yōu)先編碼。各輸入端的優(yōu)先級依次下降排序為 7， 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0（ 12） 。也即，比如說當(dāng)按下端口 7 對應(yīng)的模式鍵時，無論其它模式鍵是否有效，編碼器都將按照端口 7 編碼，因為它的優(yōu)先級最高。 運行鍵 編碼器 模式 1 模式 2 模式 3 模式 4 模式 5 鎖存器 P1 P0 單片機 P2 RESET 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 8 頁 共 33 頁 EI 0 1 2 3 4 5 6 7 A2 A1 A0 GS E0 H X X X X X X X X H H H H H L H H H H H H H H H H H H L L X X X X X X X L L L L L H L X X X X X X L H L L H L H L X X X X X L H H L H L L H L X X X X L H H H L H H L H L X X X L H H H H H L L L H L X X L H H H H H H L H L H L X L H H H H H H H H L L H L L H H H H H H H H H H L H 表 2 編碼器映射關(guān)系表 3.3 D/A 轉(zhuǎn)換部分 D/A 轉(zhuǎn)換采用最常用的 DAC0832。 DAC0832 是 R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)的 8位 D/A轉(zhuǎn)換器，建立時間 150ms，為電流輸出型；它是為 CMOS工藝制造的 8位單片 D/A轉(zhuǎn)換器，功耗低；片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器，所以可以直接和單片機的總線相連。 DAC0832與單片機接成的是單緩沖方式 （ 13） 。 由于 DAC0832 是電流輸出，而 V/F轉(zhuǎn)換需要用的是模擬電壓，在這種情況下，要將輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓，所以在 D/A轉(zhuǎn)換之后加運放，將 DAC0832 的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。但這樣得 到的信號的電平是負的，無法進行 V/F轉(zhuǎn)換，所以必須采用第二級運放作為反相器將其反相成正電平。這一點筆者原來在設(shè)計的時候沒有意識到，直到印刷完電路板后調(diào)試時，發(fā)現(xiàn) V/F轉(zhuǎn)換處總沒有信號，經(jīng)過考慮才發(fā)現(xiàn)問題的原因所在。 筆者在進行調(diào)試的時候也發(fā)現(xiàn)另一個問題。 DAC0832的 Vcc在使用時可以 515V單電源供電，但是在 5V的時候好像經(jīng)常沒有輸出，于是筆者嘗試將其一直工作在 15V的狀態(tài)下，其工作就比較穩(wěn)定了。 運放選用最常用的 LM124J運放，它由 4組運放組成，只用一個芯片就能同時滿足整個電路的需求，而且 其具有性能穩(wěn)定，適應(yīng)性強，對電源要求不高等優(yōu)點。 對于 LM124J 也遇到了和 DAC0832類似的情況，所以，筆者使其工作在 15V15V電源下。 在經(jīng)過兩級運放后2O U T R E F nDVV，滿額輸出為REFV=5V。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 9 頁 共 33 頁 圖 3 D/A 轉(zhuǎn)換部分圖 3.4 V/F 轉(zhuǎn)換部分 LM331 3.4.1 LM331 芯片介紹 LM331 是美國 NS 公司生產(chǎn)的性價比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換，A/D 轉(zhuǎn)換器，線性頻率調(diào)制解調(diào)，長時 間積分及其他相關(guān)器件。它可采用雙電源或單電源供電，可工作在 4.040V 之間，輸出電壓可高達 40V，并且可防止 Vcc 短路。 LM331由于采用了新的溫度補償能隙基準電路，在其整個溫度范圍內(nèi)和低到 4.0V 電源電壓下都有極高的精度。它的動態(tài)范圍寬，可達 100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率最高達到 100KHz 和最低達到低到 0.1Hz 時尚有較好的線性（本設(shè)計所要求的頻率范圍在 1 100KHz 以內(nèi)）。外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 或 F/V 等交換電路。 LM331 的性能足以滿足 本設(shè)計所需。 筆者通過資料查閱，較常用的 V/F 轉(zhuǎn)換芯片還有 AD650，其性能較 LM331 稍優(yōu)越，但價格在 120 元 /片左右，為 LM331 的 20 倍以上。所以本設(shè)計選擇 LM331 作為V/F 轉(zhuǎn)換芯片。 3.4.2 LM331 芯片 V/F 轉(zhuǎn)換電路 LM331 作為 V/F 轉(zhuǎn)換芯片時的外接電路如下 （ 14） REF REF DAC0832 控制信號 數(shù)字信號 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 10 頁 共 33 頁 圖 4 LM331 作為 V/F 轉(zhuǎn)換時的外接電路 電路中 8 和 5 管腳上的tR的參考值為 6.8K ； 5 管腳上的積分電容的tC的值是可調(diào)節(jié)的，根據(jù)不同轉(zhuǎn)換倍數(shù)而定； 3 管腳上，參考電壓通過一個 10 K的電阻輸入，芯片在 3管腳上輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)換的幅值與輸入電壓相同的方波； 2管腳上的電阻SR的值也是可調(diào)的，根據(jù)不同轉(zhuǎn)換倍數(shù)而定； 4管腳接地； 1和 6管腳短接，然后接LR的參考值為 100 K，LC的參考值為 1 F，此時電路可以直接接地或通過圖示方式，由一個 47和 22K電阻并聯(lián)的方式， 47 電阻直接接地， 22K電阻接在一個變阻器的中間線頭上，變阻器的兩端 接在正負電源之間，該做法的目的是調(diào)零 在輸入為 0V的時候輸出波形為 0Hz，常用在對低頻率有精確需求的電路上，一般使用時可以簡化為LR、LC直接并聯(lián)后接地； 7管腳上，電壓通過一個 100K的電阻INR輸入，INC為本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 11 頁 共 33 頁 0.1 F用來濾波，防止高頻干擾。 3.4.3 轉(zhuǎn)換倍數(shù)計算 該電路的轉(zhuǎn)換倍數(shù)為： 112 . 0 9 2 . 0 9 1 0 0 6 . 8I N S I N SOUT L t t tV R V Rf R R C K K C 例如，調(diào)節(jié)SR 28.4K , tC=0.2 F,則輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系是： 2 8 . 4 1 1002 . 0 9 1 0 0 6 . 8 0 . 2INO U T I NV KfVKK ，即輸出方波的頻率在數(shù)值上為輸入電壓的 100 倍。 3.5 功率放大器 從 LM331 輸出的方波無論在電壓還是電流上都無法滿足實際需求，必須要加功率放大器進行放大，以滿足實際的電流 mA 級需求。在 實際使用中，可以根據(jù)不同病灶點的電阻不同來調(diào)節(jié)功率放大器的電壓和增益，從而滿足刺激電流需求。 此處選用集成功率放大器 LM386 4。集成功率放大器與分立元件組成的功率放大器相比，不僅體積小，重量輕，成本低，使用方便，且在性能上也十分優(yōu)越：如溫度穩(wěn)定性好，功耗低，失真小，效率高；還具有多種保護措施，可以防止電路和器件的損壞 （ 15） 。所以目前在電子設(shè)備、家用電器、微機接口、測量儀器、控制電路中得到廣泛應(yīng)用。 LM386 4 是一種半導(dǎo)體音頻集成功率放大電路，頻帶寬（可達數(shù)百KHz），功耗小，適用電源電壓范圍寬（ 5 18V），額定輸出電流為 4mA，是目前較流行的通用集成功率放大器 （ 16） 。 圖為 LM386 4 的一種基本用法： 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 12 頁 共 33 頁 圖 5：功放用法電路圖 引腳 1 和 8 之間為電壓增益設(shè)定端，當(dāng) R 趨于零時，電壓放大倍數(shù)最大，可達200 左右；當(dāng) R 趨于無窮時，增益最小，為 20；當(dāng) R=1.2K時，增益為 50。 引腳 2為反相輸入端；引腳 3 為同相輸入端；引腳 4 為地；引腳 5 為輸出端；引腳 6 為電源；引腳 7 和地之間接旁路電容，使引腳 7 交流接地。 在實際應(yīng)用時，需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電源電壓和增益。 3.6 硬件原理圖 詳見下頁，附圖 1：整體原理圖 10 f R io220 22p 10 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 13 頁 共 33 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 14 頁 共 33 頁 4 軟件設(shè)計 4.1 整體功能設(shè)計 圖 6 軟件功能圖 4.2 軟件設(shè)計說明 首先，啟動總電源，讓整個電路處在等待工作模式，此時電路的輸出是上一次的模式。然后，用戶選擇所需要的工作模式，按下相應(yīng)按鍵（只能選擇一個工作模式，否則電路將不能正常工作），此時編碼器完成編碼，整個電路仍然處于等待工作模式。當(dāng)用戶按下開始鍵，單片機從頭開始執(zhí)行程序。為防止編碼器還沒有完成編碼的情況出現(xiàn)，此時單片機先是處于 延時狀態(tài)。單片機延時結(jié)束，讀入編碼器已經(jīng)準備好的數(shù)據(jù)并根據(jù)編碼跳轉(zhuǎn)入不同的工作模式，在 P0 和 P2 分別輸出控制方波的數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過 D/A 和 V/F，變?yōu)樗枰牟ㄐ?，在由功放放大后在電極上輸出。 啟動總電源 用戶根據(jù)需求按下所需要的工 作模式，每次只能按下一個 下開始鍵 工作模式被編碼送到單片機 P1口，單片機處于任務(wù)延時狀態(tài) 單片機開始讀入工作模式 單片機根據(jù)工作模式轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序，在 P0 和 P2 輸出相應(yīng)數(shù)字信號 數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)無極性方波輸出 更改工作模式 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 15 頁 共 33 頁 5 現(xiàn)有實驗電路介紹 現(xiàn)將作者已經(jīng)完成的核心部分電路簡單介紹。 5.1 硬件部分 現(xiàn)已完成硬件部分的原理框圖如下： 圖 7 現(xiàn)已完成部分原理框圖 該部分的原理圖、電氣圖及實物圖，見附圖 2：實驗部分原理圖、附圖 3：實驗部分電器圖、附圖 4：實驗部分實物圖： LM124J 運放 V/F 轉(zhuǎn)換 ,KA331 電壓信號 方波輸出 89c51 單片機 DAC0832 數(shù)字信號 電流信號 模式選擇 LM124J 運放 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 16 頁 共 33 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 17 頁 共 33 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 18 頁 共 33 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 19 頁 共 33 頁 電路參數(shù)設(shè)置如下： 調(diào)節(jié)SR 28.4K , tC=0.01 F,則輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系是： 2 8 . 4 1 20002 . 0 9 1 0 0 6 . 8 0 . 0 1INO U T I NV KfVKK ，即輸出方波的頻率在數(shù)值上為輸入電壓的 2000 倍。 5.2 軟件部分 實驗程序如下： ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030H MAIN:MOV P1,#00H DEL:MOV R7,#125 /等待延時 50ms DEL1:MOV R6,#200 DEL2:DJNZ R6,DEL2 /200 2 400 s DJNZ R7,DEL1 /0.4ms 125 50ms MOV A,P1 MOV R0,A /從 P1 口讀入選擇模式，放入 R0 CJNE R0,#00H,DA1 /若 R0 00H,則將 80H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA1 MOV A,#80H AJMP SCH DA1:CJNE R0,#01H,DA2 /若 R0 01H,則將 40H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA2 MOV A,#40H AJMP SCH DA2:CJNE R0,#02H,DA3 /若 R0 02H,則將 20H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA3 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 20 頁 共 33 頁 MOV A,#20H AJMP SCH DA3:CJNE R0,#03H,DA4 /若 R0 03H,則將 10H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA4 MOV A,#10H AJMP SCH DA4:CJNE R0,#04H,DA5 /若 R0 04H,則將 08H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA5 MOV A,#08H AJMP SCH DA5:CJNE R0,#05H,DA0 /若 R0 05H,則將 04H賦予 A，否則轉(zhuǎn)入 DA0 MOV A,#04H AJMP SCH DA0:MOV A,#10H /若 R0 不為以上幾個數(shù)值則選擇 默認方式 AJMP SCH SCH:MOV P0,A /將 A 的值在 P0 輸出 AJMP SCH RET END 5.3 實驗結(jié)果 使用時，先接入總電源，選擇工作模式，然后按下單片機 RESET 鍵，電路即可開始工作。 通過電路的實際連接獲得實驗數(shù)據(jù)如下： 輸入 單片機輸 出 D/A 轉(zhuǎn)換輸出 (V) 方波頻率 (KHz) 理論方波頻率 （ KHz） 理論 D/A 轉(zhuǎn)換輸出值 (V) 01H 40H 1.24 2.431 2.48 1.42 02H 20H 0.61 1.137 1.22 0.71 03H 10H 0.302 0.555 0.604 0.36 04H 08H 0.16 0.295 0.32 0.18 05H 04H 0.092 0.146 0.184 0.09 其它 10H 0.302 0.555 0.604 0.36 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 21 頁 共 33 頁 表 4：已完成電路實驗結(jié)果 對實驗數(shù)據(jù)進行分析，做出圖形如下： 00.511.522.531 2 3 4 5D / A 轉(zhuǎn) 換 輸 出 ( V )方 波 頻 率 ( k H z )00.511.522.531 2 3 4 5方 波 頻 率 ( k H z )理論方波頻率00.20.40.60.811.21.41.6輸入 01H 02H 03H 04HD / A 轉(zhuǎn) 換 輸 出 ( V )理 論 D / A 轉(zhuǎn) 換 輸 出值圖 8，已 完成電路實驗結(jié)果分析圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 22 頁 共 33 頁 5.4 實驗結(jié)果分析 從坐標(biāo)圖中可以看出，方波頻率的線性并不是很好。從經(jīng)過分析分析，筆者認為是 D/A 轉(zhuǎn)換處的線性不好，所以導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換的線性度下降?？梢钥闯觯?D/A 轉(zhuǎn)化的值，根據(jù)理論計算而得的參考值與實際測得的值相差不多。于是筆者通過只用LM331 進行 V/F 轉(zhuǎn)換，測試其線性度。參數(shù)設(shè)置仍然與該實驗相同，放大倍數(shù)為 2000倍。 實驗數(shù)據(jù)如下： 輸入電壓（ V） 實際輸出頻率 (KHz) 比值 (K) 偏差 理論輸出頻率 (KHz) 0.73 1.53 2.10 0.10 1.46 0.98 1.87 1.91 -0.10 1.96 1.43 2.74 1.92 -0.08 2.86 1.69 3.32 1.96 -0.04 3.38 2.24 4.48 2.00 0.00 4.48 2.65 5.34 2.02 0.02 5.3 3.02 6.09 2.02 0.02 6.04 3.56 7.22 2.03 0.03 7.12 4 8.14 2.04 0.04 8 4.3 8.75 2.03 0.03 8.6 4.7 9.6 2.04 0.04 9.4 4.77 9.75 2.04 0.04 9.54 表 5： V/F 測試結(jié)果 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 23 頁 共 33 頁 實 際 輸 出 頻 率 ( K H z )024681012輸入電壓（V）0.98 1.69 2.65 3.564.3實 際 輸 出 頻 率 ( K H z )024681012輸入電壓0.981.692.653.564.34.77實際輸出頻率(KHz)理論輸出頻率（ K H z )圖 9： V/F 轉(zhuǎn)換結(jié)果分析 從實驗結(jié)果柱狀圖中可以看出，在整個輸入范圍內(nèi)， V/F 轉(zhuǎn)換的線性度都是比較高的，尤其是在 2.5V 左右的地方。當(dāng)然，也可以看到在 1V 以下的范圍內(nèi)，誤差還是本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 24 頁 共 33 頁 比較大的，線性度誤差甚至可以達到 10的樣子。為此，筆者通過多次測量，并且采用通過改變電路的放大倍數(shù)重新測量的方法。多次實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 1V 以下的區(qū)域里 ，線性誤差總是很大。多次實驗可以減少測量誤差，但如此大的誤差的存在依然會給接下來的實驗帶來很多負面影響。 筆者考慮過一些可以消除誤差的方法。首先在確保元件選擇正確的前提下，提高焊接技術(shù)，盡量減少寄生電容和寄生電阻等的存在。其次，盡量在 1.5V 以上的范圍內(nèi)使用 V/F 轉(zhuǎn)換，避免小電壓范圍，可以盡可能的減少線性誤差。另外，減小電壓的變化范圍，在一個小的電壓變化范圍，誤差比較相似，此時通過略微改變可調(diào)電阻SR的阻值可以抵消一部分線性度誤差。 當(dāng)然，針對該電路隨機誤差 不大的情況，也可以充分利用單片機的優(yōu)勢。就是不去過多地考慮線性誤差，每次都以編程的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的實際輸出頻率為參考基準，當(dāng)輸出頻率與實際期望有偏差時就去改變程序中的輸出數(shù)值。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 第 25 頁 共 33 頁 6 實際應(yīng)用舉例 6.1 功能假設(shè) 假設(shè)現(xiàn)在需要設(shè)定以下功能： 端口 7：用于催眠與鎮(zhèn)定，頻率為 10Hz 的簡單方波。 端口 6：用于短期止痛，頻率為 100 Hz 的簡單方波 端口 5：用于長期止痛，頻率變化： 2 Hz（ 3S） 100 Hz(1S) 2 Hz(3S) 端口 4：類似推拿，頻率變化： 2 Hz（ 1S） 10 Hz（ 1S） 20 Hz（ 1S） 50 Hz（ 1S） 80 Hz（ 1S） 2 Hz（ 1S） 端口 3：用于止癢，頻率為 2000Hz 簡單方波 端口 2：用于調(diào)制中頻電療法， 50Hz 調(diào)制波 3000Hz 載波方波 6.2 硬件參數(shù)確立 對于 P0 端口對應(yīng)的 V/F 轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)SR 28.4K , tC=1 F,則輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系是： 2 8 . 4 1 202 . 0 9 1 0 0 6 . 8 1INO U T I NV KfVKK ，即 輸出方波的頻率在數(shù)值上為輸入電壓的20 倍。 對于 P2 端口對應(yīng)的 V/F 轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)S