一种电刺激电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种电刺激电路。

背景技术

在躯体感觉诱发电位(SEP)中，通过电刺激装置对被试机体感觉系统进行刺激，观察由此产生的生物电反应，可以对受测者的感觉神经传导功能进行评判。目前，电刺激装置可应用于临床医疗以及生物试验，常用电刺激装置的电路方案包括非集成芯片方案。但是，当前非集成芯片的方案只能输出固定值的直流电压，限制了电刺激装置的使用，导致当前电刺激装置的使用效率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本申请实施例提供一种电刺激电路，旨在解决当前非集成芯片的方案只能输出固定值的直流电压，导致电刺激装置的使用效率低的问题。

本申请提供一种电刺激电路，包括控制器、DAC电路、可调稳压源、恒流源电路、模拟开关与电极；

所述控制器与所述DAC电路的输入端以及所述模拟开关连接；所述控制器用于控制所述DAC输出的电压信号，以及控制所述模拟开关的开关状态；

所述DAC电路的输出端与所述可调稳压源的输入端，以及所述恒流源电路至少两个输入端中的其中一个输入端连接；所述DAC电路通过输出的电压信号调整所述可调稳压源输出的电压值，以及通过输出的电压信号调整所述恒流源电路输出的恒流值；

所述可调稳压源的输出端与所述恒流源电路至少两个输入端中的另一个的输入端连接；所述可调稳压源用于通过输出的电压值控制所述恒流源电路的电压值；

所述模拟开关的一端与所述恒流源电路的输出端连接；所述模拟开关的另一端与所述电极连接；所述模拟开关在闭合状态下，通过所述恒流源电路输出的电压值与恒流值对所述电极进行充放电。

在一个实施例中，所述可调稳压源包括正极可调稳压源与负极可调稳压源；

所述正极可调稳压源的输入端与所述DAC电路的输出端连接；所述正极可调稳压源用于根据所述DAC电路输出的电压信号调整输出的正电压值；

所述负极可调稳压源的输入端与所述DAC电路的输出端连接；所述负极可调稳压源用于根据所述DAC电路输出的电压信号调整输出的负电压值。

在一个实施例中，所述恒流源电路包括恒流源控制电路与镜像恒流源阵列；

所述恒流源控制电路的输入端与所述DAC电路的输出端连接；

所述恒流源控制电路的输出端，与所述镜像恒流源阵列的至少两个输入端中的其中一端连接；所述恒流源控制电路用于通过所述DAC电路输出的电压信号，控制所述恒流源控制电路输出的恒流值；

所述镜像恒流源阵列的至少两个输入端中的另一端与所述可调稳压源的输出端连接；

所述镜像恒流源阵列的输出端与所述模拟开关的一端连接，所述镜像恒流源阵列用于通过所述可调稳压源输出的电压值与所述恒流源控制电路输出的恒流值，对与所述模拟开关的另一端连接的电极进行充放电。

在一个实施例中，所述恒流源控制电路包括正极恒流源控制电路与负极恒流源控制电路；

所述正极恒流源控制电路的输入端与所述DAC电路的输出端连接；所述正极恒流源控制电路用于根据所述DAC电路输出的电压信号，控制输出的正恒流值；

所述负极恒流源控制电路的输入端与所述DAC电路的输出端连接；所述负极恒流源控制电路用于根据所述DAC电路输出的电压信号，控制输出的负恒流值。

在一个实施例中，所述镜像恒流源阵列包括正极镜像恒流源阵列和负极镜像恒流源阵列；

所述正极镜像恒流源阵列的一个输入端与所述正极可调稳压源的输出端连接；所述正极镜像恒流源阵列的另一个输入端与所述正极恒流源控制电路的输出端连接；所述正极镜像恒流源阵列的输出端通过所述模拟开关与所述电极连接；所述正极镜像恒流源阵列用于根据所述正极可调稳压源输出的正电压值与所述正极恒流源控制电路输出的正恒流值，对所述电极进行充放电；

所述负极镜像恒流源阵列的一个输入端与所述负极可调稳压源的输出端连接；所述负极镜像恒流源阵列的另一个输入端与所述负极恒流源控制电路的输出端连接；所述负极镜像恒流源阵列用于根据所述负极可调稳压源输出的负电压值与所述负极恒流源控制电路输出的负恒流值，对所述电极进行充放电。

在一个实施例中，所述镜像恒流源阵列包括双极型晶体管、MOS管中的任一种。

在一个实施例中，所述DAC电路包括通信接口，所述控制器通过所述通信接口对所述DAC电路输出的电压信号进行控制。

在一个实施例中，所述DAC电路包括第一DAC电路与第二DAC电路；

所述第一DAC电路的输入端与所述控制器连接；所述第一DAC电路的输出端与所述正极可调稳压源的输入端连接；所述第一DAC电路的输出端与所述负极可调稳压源的输入端连接；

所述第二DAC电路的输入端与所述控制器连接；所述第二DAC电路的输出端与所述正极恒流源控制电路的输入端连接；所述第二DAC电路的输出端与所述负极恒流源控制电路的输入端连接。

在一个实施例中，所述电刺激电路还包括电源，所述电源通过DC-DC转换电路，分别与所述DAC电路、所述可调稳压源、所述恒流源电路中的一项或多项连接，用于为所述DAC电路、所述可调稳压源、所述恒流源电路中的一项或多项供电。

在一个实施例中，所述控制器包括FPGA、ARM处理器中的任一项。

本申请提供的电刺激电路，可以由控制器通过DAC电路设定正、负极可调稳压源的电压，以及设定恒流源电路中正、负极恒流电路的恒流值，可以通过模拟开关向电极提供可调的直流电压，有效提高电刺激装置的使用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的电刺激电路的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的电刺激电路中电源供电的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的电刺激电路中DAC电路的结构示意图之一；

图4是本申请实施例提供的电刺激电路中DAC电路的结构示意图之二；

图5是本申请实施例提供的电刺激电路中正极可调稳压源的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的电刺激电路中负极可调稳压源的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的电刺激电路中正极恒流源控制电路的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的电刺激电路中负极恒流源控制电路的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的电刺激电路中刺激恒流源阵列的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供一种电刺激电路，该电刺激电路可以为非集成芯片的电刺激电路，可以包括控制器、DAC电路、可调稳压源、恒流源电路、模拟开关与电极。

控制器与DAC电路的输入端连接，同时与模拟开关连接；可以通过控制器控制DAC输出的电压信号，以及控制模拟开关的开关状态。

DAC电路的输出端与可调稳压源的输入端连接，以及与恒流源电路至少两个输入端中的其中一个输入端连接。DAC电路可以通过输出的电压信号调整可调稳压源输出的电压值，以及通过输出的电压信号调整恒流源电路输出的恒流值。

可调稳压源的输出端与恒流源电路至少两个输入端中的另一个的输入端连接；可调稳压源可以通过输出的电压值控制恒流源电路的电压值。

模拟开关的一端与恒流源电路的输出端连接；模拟开关的另一端与电极连接。使得模拟开关在闭合状态下，可以通过恒流源电路输出的电压值与恒流值对电极进行充放电。

其中，电极用于接触生物体表，用以为生物体表进行电刺激，例如可以为电极片。

进一步地，控制器可以为FPGA或者ARM处理器。

其中，FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

ARM处理器一般指ARM。ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。

需要说明的是，对于控制器，在刺激电路部分只需满足驱动DAC要求，以及能控制所有模拟开关即可。其余功能根据实际产品需求进行选型。

需要说明的是，模拟开关主要完成信号链路中的信号切换功能。采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开；由于其功能类似于开关，而用模拟器件的特性实现，称为模拟开关。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。模拟开关的开关状态可以包括闭合与断开两种状态。

即，控制器可以直接控制模拟开关闭合或断开。

进一步需要说明的是，可调稳压源可以包括正极可调稳压源与负极可调稳压源。

恒流源电路可以包括恒流源控制电路与镜像恒流源阵列。

恒流源控制电路可以包括正极恒流源控制电路与负极恒流源控制电路。

镜像恒流源阵列可以包括正极镜像恒流源阵列和负极镜像恒流源阵列。

其中，正极恒流源控制电路和正极镜像恒流源阵列可以组成正极恒流电路；负极恒流源控制电路与负极镜像恒流源阵列可以组成负极恒流电路。

基于此，控制器可以通过DAC电路控制正极可调稳压源、负极可调稳压源的输出电压，以及控制正极恒流电路、负极恒流电路输出的恒定电流值(后续可以简称为恒流值)。

DAC电路可以由控制器控制输出电压信号，进而设定正极可调稳压源、负极可调稳压源的输出电压和正极恒流电路、负极恒流电路输出的恒流值。

正极可调稳压源可以给正极恒流源电路提供电压源。

负极可调稳压源可以给负极恒流源电路提供电压源。

正极恒流电路可以刺激恒流源，并支持多通道输出。

负极恒流电路可以刺激恒流源，并支持多通道输出。

模拟开关：断开或闭合刺激恒流源与电极之间的连接。

参照图1，图1为本申请实施例提供的电刺激电路的结构示意图。如图1所示，在一些实施例中，电刺激电路可以包括控制器、两个DAC电路、正极可调稳压源、负极可调稳压源、正极恒流电路、负极恒流电路、两组模拟开关(其中一组模拟开关可以包括多个模拟开关)、电极。

并且，控制器可以通过其中一个DAC电路(本申请中可以定义为第一DAC电路)分别与正极可调稳压源、负极可调稳压源连接，以及通过另一个DAC电路(本申请中可以定义为第二DAC电路)分别与正极恒流电路、负极恒流电路连接。同时，控制器还可以直接与两组模拟开关连接，可以直接控制两组模拟开关中的各模拟开关的开关状态。

进一步地，正极恒流电路的另一输入端可以与正极可调稳压源的输出端连接；负极恒流电路的另一输入端可以与负极可调稳压源的输出端连接。

正极恒流电路的输出端可以与一组模拟开关连接，负极恒流电路的输出端可以与另一组模拟开关连接。

两组模拟开关可以与电极连接。

由此，形成一个完整的电刺激电路。

其中，第一DAC电路的输入端与控制器连接；第一DAC电路的输出端与正极可调稳压源的输入端连接；第一DAC电路的输出端与负极可调稳压源的输入端连接；

第二DAC电路的输入端与控制器连接；第二DAC电路的输出端与正极恒流源控制电路的输入端连接；第二DAC电路的输出端与负极恒流源控制电路的输入端连接。

进一步地，参照图2，图2为本申请实施例提供的电刺激电路中电源供电的结构示意图。如图2所示，本申请中的电源可以为DC(即直流电流)输入，即本申请中电刺激电路可以由低压直流供电(低压直流容易获得并且安全)。

进一步地，DC输入可以通过两个用于进行DC-DC转换的电路，转换成正电压+VCC和负电压-VCC的电源轨。并通过正电压+VCC和负电压-VCC的电源轨，与正电压负载以及负电压负载连接，并对正电压负载以及负电压负载进行供电。

其中，正电压负载可以包括正极可调稳压源和正极恒流电路，负电压负载可以包括负极可调稳压源和负极恒流电路。

正电压+VCC和负电压-VCC的电源轨还可以与DAC电路供电连接，为DAC电路供电。

参照图3，图3为本申请实施例提供的电刺激电路中DAC电路的结构示意图之一，为使正、负极输出对称，本申请中正极、负极可调稳压源共用一个DAC电路的输出。为区分多个DAC电路，图3中的DAC定义为DAC1。如图3所示，DAC电路可以包括DAC1 IO即控制器的电压信号输入、DAC1(U1)以及一个运算放大电路(U2)、输出。

其中，DAC1中包括VDD、AGND与输出OUT；运算放大电路中的电源输入为+VDD与-VCC。

具体地，U1为一个SPI通信接口的8bit的DAC(也可以为其他接口其他位数的DAC，例如为UART、I2C的8bit或16bit的DAC)，控制器通过SPI接口控制DAC输出电压信号OUT，输出范围为0V到VDD之间。为降低DAC输出阻抗，增加一级运放(选择精密运放，下文中的其他运放相同)来缓冲；为加强抗干扰能力，缓冲运放的输出与DAC的AGND之间组成一对差分信号(DAC1_OUT_P与DAC1_OUT_N)，接后级的调理电路(差分放大电路)。

参照图4，图4为本申请实施例提供的电刺激电路中DAC电路的结构示意图之二，为使正、负极输出对称，本申请中正极、负极恒流电路共用一个DAC电路的输出。

为区分多个DAC电路，图4中的DAC定义为DAC2。如图4所示，DAC电路可以包括DAC1IO即控制器的电压信号输入、DAC2(U3)以及一个运算放大电路(U4)、输出。

其中，DAC2中包括VDD、AGND与输出OUT；运算放大电路中的电源输入为+VDD与-VCC。

具体地，U3为一个SPI通信接口的8bit的DAC(也可以为其他接口其他位数的DAC，例如为UART、I2C的8bit或16bit的DAC)，控制器通过SPI接口控制DAC输出电压信号OUT，输出范围为0V到VDD之间。为降低DAC输出阻抗，增加一级运放(选择精密运放，下文中的其他运放相同)来缓冲；为加强抗干扰能力，缓冲运放的输出与DAC的AGND之间组成一对差分信号(DAC2_OUT_P与DAC2_OUT_N)，接后级的调理电路(差分放大电路)。

进一步地，正极可调稳压源的输入端与DAC电路的输出端连接；正极可调稳压源用于根据DAC电路输出的电压信号调整输出的正电压值；

负极可调稳压源的输入端与DAC电路的输出端连接；负极可调稳压源用于根据DAC电路输出的电压信号调整输出的负电压值。

参照图5，图5为本申请实施例提供的电刺激电路中正极可调稳压源的结构示意图。正极可调稳压源的输出电压由DAC的输出控制，信号先经过差分电路进行差分放大，再经过缓冲电路输出。

图5中，当R5＝R9，R6＝R8时，差分放大电路输入输出关系是

其中，Vo是运放U5的输出，Vip为图5中的DAC1_OUT_P信号，Vin为图5中的DAC1_OUT_N信号。R5/R6为某固定比值,由于Vip-Vin的电压范围是0V到VDD，所以输出的电压为0V到(R5/R6)*VDD，与输入同相。U6与Q1(可选NPN双极型晶体管或N沟道MOS管)组成的缓冲电路进行电压跟随，加强了输出能力，让输出的+VSET在一定的负载条件下(小于Q1所能承受的电流)可以维持不变。U6输入端的二极管D1，可有效地钳位输入信号到GND，避免+VSET输出负压的情况。

DAC1_OUT_P和DAC1_OUT_N由8bit的DAC输出，则+VSET的输出步进值为(R5/R6)*VDD/255。

参照图6，图6为本申请实施例提供的电刺激电路中负极可调稳压源的结构示意图。负极可调稳压源的输出电压由DAC的输出控制，信号先经过差分电路进行差分放大，再经过缓冲电路输出。

图6中差分放大电路也可以使用上述公式①进行计算，但在这里公式①Vip为上图中的DAC1_OUT_N信号，Vin为上图中的DAC1_OUT_P信号，输出的电压为-(R12/R13)*VDD V到0V，与输入反相。-VSET与U7的输出一致，U8与Q2组成的缓冲电路也是加强了-VSET的输出能力。二极管D2对U8的输入信号进行钳位，避免VSET输出正压，输出步进值与+VSET的一致。

恒流源控制电路的输入端与DAC电路的输出端连接；

恒流源控制电路的输出端，与镜像恒流源阵列的至少两个输入端中的其中一端连接；恒流源控制电路用于通过DAC电路输出的电压信号，控制恒流源控制电路输出的恒流值；

镜像恒流源阵列的至少两个输入端中的另一端与可调稳压源的输出端连接；

镜像恒流源阵列的输出端与模拟开关的一端连接，镜像恒流源阵列用于通过可调稳压源输出的电压值与恒流源控制电路输出的恒流值，对与模拟开关的另一端连接的电极进行充放电。

正极恒流源控制电路的输入端与DAC电路的输出端连接；正极恒流源控制电路用于根据DAC电路输出的电压信号，控制输出的正恒流值；

负极恒流源控制电路的输入端与DAC电路的输出端连接；负极恒流源控制电路用于根据DAC电路输出的电压信号，控制输出的负恒流值。

参照图7，图7为本申请实施例提供的电刺激电路中正极恒流源控制电路的结构示意图。图7中信号经过差分电路进行差分放大，再经过缓冲电路输出。图7中前级运放同样使用了差分放大电路，输出与输入同相。令R17＝R18，根据上述公式①可知放大倍数为1，则输出电压范围是0V到VDD，即U10的输入电压范围是0V到VDD。在这里U10、Q3、RS1构成VI转换电路，即电压控制输出的恒流值，输入电压与输出电流的关系如下：

公式②中的Isp代表了Q3(NPN双极型晶体管或N沟道MOS管)的恒流值；Vis代表了U10正输入的电压；RS1是电流采样电阻，是负反馈，这里取高精度电阻。当U10的输入等于VDD时，Isp＝(VDD-0V)/RS1。由于是8bit的DAC来控制，所以电流步进值为Isp/255。

参照图8，图8为本申请实施例提供的电刺激电路中负极恒流源控制电路的结构示意图。图8中信号经过差分电路进行差分放大，再经过缓冲电路输出，差分放大电路的输入与正极恒流源控制的差分电路输入反相，所以输出的电压范围是-VDD到0V。由上述内容可知，Q4恒流值Isn＝[0V-(-VDD)]/RS2，电流步进值同样是Isn/255。

进一步地，正极镜像恒流源阵列的一个输入端与正极可调稳压源的输出端连接；正极镜像恒流源阵列的另一个输入端与正极恒流源控制电路的输出端连接；正极镜像恒流源阵列的输出端通过模拟开关与电极连接；正极镜像恒流源阵列用于根据正极可调稳压源输出的正电压值与正极恒流源控制电路输出的正恒流值，对电极进行充放电；

负极镜像恒流源阵列的一个输入端与负极可调稳压源的输出端连接；负极镜像恒流源阵列的另一个输入端与负极恒流源控制电路的输出端连接；负极镜像恒流源阵列用于根据负极可调稳压源输出的负电压值与负极恒流源控制电路输出的负恒流值，对电极进行充放电。

参照图9，图9为本申请实施例提供的电刺激电路中刺激恒流源阵列的结构示意图。图9中包括正极可调稳压源的输出、正极恒流源控制电路的输出、负极可调稳压源的输出、负极恒流源控制电路的输出、正极镜像恒流源阵列、负极镜像恒流源阵列、两组模拟开关、用于接触生物体表的电极。

镜像恒流源阵列为双极型晶体管或MOS管。

其中，Q5-Q13是正极的镜像恒流源阵列，可选用相同型号PNP的双极型晶体管或者P沟道的MOS管，公共端接的+VSET是正极可调稳压源的输出。流经Q5的电流由正极恒流源控制电路的Isp决定，选用的高放大倍数的双极型晶体管时，Q5集电极的电流大小可认为与Isp相等；选用MOS管时，栅极电流几乎为零，所以可忽略Q5电流与Isp之间的误差。Q6-Q13的电流与Q5的电流成镜像，即大小相等，方向相同。

Q14-Q22是负极的镜像恒流源阵列，它们可选用相同型号NPN的双极型晶体管或者N沟道的MOS管，公共端接的-VSET是正极可调稳压源的输出。流经Q14的电流由负极恒流源控制电路的Isn决定，同样地，这里也可忽略Q14电流与Isn之间的误差。Q15-Q22的电流与Q14的电流成镜像，大小相等，方向相同。

E1-E8是用于接触生物体表的电极，由模拟开关SW1-SW8(信号SW_P_EN1-8控制)连接到正极镜像恒流源阵列，当任意一个模拟开关闭合时，则会给对应的电极进行恒流充电，电压最高等于+VSET；与此同时由模拟开关SW9-SW16(信号SW_N_EN1-8控制)连接到负极镜像恒流源阵列，当任意一个模拟开关闭合时，则会给对应的电极进行恒流放电，电压最低等于-VSET。在给电极充电或者放电过程中，是恒流刺激；当电极的电压到达+VSET或者-VSET时，是电压刺激，而刺激过程中的最大电流是镜像恒流源的电流。

需要说明的是，在需要扩展刺激电极时，如果Q5-Q22选型为MOS管，那只需要扩展镜像恒流源阵列中的通道数目；如果选型为双极型晶体管时，并且通道数足够多时，则它们的基极电流总和是不能完全忽略的(具体还与晶体管的参数相关)，此时可通过增加恒流源控制电路中VI转换电路(即增加Isp/Isn数目)的来实现，无需增加DAC和差分放大电路。

本申请实施例提供的电刺激电路，可以由控制器通过DAC电路设定正、负极可调稳压源的电压，以及设定恒流源电路中正、负极恒流电路的恒流值，可以通过模拟开关向电极提供可调的直流电压，有效提高电刺激装置的使用效率。

本申请实施例提供的电刺激电路，输出的电压波形可在限定范围内，按固定的分辨率进行任意调节；同样输出的电刺激电流也可在限定范围内，按固定的分辨率进行任意调节；与此同时，该电路方案让扩展通道变得容易并且降低成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。