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一种数字式任意波形X射线高压发生装置.doc
一种数字式任意波形X射线高压发生装置 【摘要】普通X射线高压发生器通常仅能产生一种波形的高压信号,而在非介入式X射线kVp表的校准装置中,需要模拟不同波形的X射线辐射环境,要求同一台X射线高压发生器能够产生包括50Hz全波整流、半波整流、脉冲直流在内的高压波形。本文在传统逆变式高频高压X射线发生器的基础上,增加数字式任意波形信号发生单元,将逆变电路的预置电压恒定值改为弱电压预置波形信号,使高频高压发生器的输出高压按照数字信号发生单元的弱电压预置波形信号而变化,最后生成设定的任意波形的高压输出。 【关键词】X射线高压发生器;任意波形发生器 一、前言 X射线高压发生器主要分为工频、高(中)频高压发生器两种。其中,如图1所示,工频高压发生器直接由网电源供电,网电源经初级调整后,经高压变压器升压后,将电压调节至指定高压范围,最后经过高压整流而得到相应的高压输出波形,所谓波形的不同主要取决于整流的方式。 如图2所示,高(中)频高压发生器的网电源供电仍为50Hz的工频交流电压。工频交流电压先经整流变为直流电压后再经高频直流逆变器转换成高频电压(一般在10KHz-100KHz),接下来经高频升压变压器转换成高频高压交流信号,最后经高压整流得到直流输出。输出电压的控制通过调整高频逆变器的脉宽或频率的方式(Pulse Frequency Modulation,PFM或者Pulse Width Modulation,PWM)。同时输出高压经过分压后反馈给反馈比较模块,与预置参考电压Vs进行比较并将比较结果(差分电压Vd)作为高频逆变器的控制信号,从而形成输出电压的闭环反馈。高(中)频高压发生器的优势在于:由于升压变压器工作在高(中)频段,因此变压器的线圈匝数和铁芯截面积都大幅度减少,实现了结构小型化。由于使用了闭环控制,控制实时性和控制精度得到较大程度提高,输出电压稳定,重复性好。 在基于光感应方式的非介入式X射线kVp表的检定/校准过程中,应该在不同管电压波形(如恒定直流、单相半波整流、单相全波整流、三相六峰整流、三相十二峰整流等波形)的X射线辐射环境下对非介入式高压表的量值进行校准[1]。而现有技术无法在同一台高压发生器上产生上述多种高压波形,因此在上述现有技术条件下,校准一个非介入式X射线高压表至少需要四台以上不同波形的X射线高压发生器来产生规定的管电压。 二、系统原理与实现方案 在一个周期内,X射线高压发生器的高压输出的有效值是由其传递的能量决定,而经过逆变-升压-整流后,在T周期内的电压能量由下式给出: 其中,U(t)为瞬间电压。对于PWM逆变器,可以通过调整脉宽来调整输出电压的有效值。传统的高频发生器的电压调节主要通过PWM闭环反馈控制实现。对于常规的X射线应用,预置参考电压Vs为恒定值,而输出高压通过分压器后得到反馈电压Vr,Vs与Vr分别连接PWM控制器的正向、反向输入端,其差分值驱动PWM逆变电路的脉宽调节电路,通过高压升压变压器并整流后得到闭环反馈输出高压。 为实现输出高压的电压变化,本文在传统的高频高压器的基础上进行改造,主要的区别是将预置参考电压Vs由恒定值输入改为可变量电压输入Vs(t),该电压信号由数字电路通过D/A转换产生,通过CPU实现波形的任意控制。 图3是本文所述高压发生装置的示意框图。其中,任意波形信号发生单元包括:用于进行功能控制和数据处理的中央处理单元;存储数字与预置电压信号相对应的数字离散数据的存储单元;以及将数字离散数据转换成模拟波形信号的数模转换单元。此外,任意波形信号发生单元还包括用于输入设置参数的用户输入单元。 用户可以通过用户输入单元设定预置电压信号的波形参数(波形的类型、电压、频率),中央处理单元根据上述参数直接形成数字离散数据并存储在存储单元,或者预先通其他方式计算并存储在存储单元中。数字离散数据通过D/A转换单元转换成模拟形式的弱电压波形信号Vs(t),并通过外部接口(I/O口、通讯接口或者网络接口)输出到反馈比较单元,代替原有的稳压预置直流电压Vs。 在使用时,工频交流电压先经整流单元整流变为直流电压,再经直流逆变单元转换成预定频率的中间交流电压,接下来经变压单元升压为交流高压信号后输出。输出电压经分压后反馈给反馈比较模块,与预置电压信号进行比较并将比较结果(差分电压Vd)作为直流逆变单元的控制信号,直流逆变单元依据预置电压波形信号和采样信号的比较结果调制交流电压的波形,由此实现闭环反馈控制。 在本方案中,预置电压波形的电压范围由反馈比较单元的输出而决定。反馈高压信号通过纯阻性高压分压器以10000:1的比例将X射线球管的高电压信号分压为低电压信号[3],考虑到医用X射线高压输出的最大电压为18
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