基于AVR的微功耗電刺激器

　　2 電壓調整

　　本系統采用3V紐扣式鋰電池供電，為了達到刺激電流的強度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應選用高效率緊湊型DC/DC進行升壓。可供選用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國國家半導體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺灣易亨電子的AP1522等等。這幾種IC都是SOT23-5的緊湊型封裝，管腳完全兼容，這也是本系統選用這種IC的原因，不擔心芯片缺貨，將外圍元件參數稍做修改就可以對IC進行互換。電壓調整電路的接線原理圖如圖2所示。

　　LT1615是微功耗高效率的升壓DC/DC，輸入電壓范圍為1.5V~15V，適用于最大輸出電流小于100mA的場合。芯片在空載時的靜態工作電流為20μA，當4腳SHDN為低電平時關閉芯片，其靜態工作電流僅為0.5μA。芯片的工作效率約為75%。輸出電壓值由圖中的R2和R4決定：。

　　使用3V電池直接給單片機供電。單片機通過圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內的外圍電路的供電，在工作的間歇期進入休眠狀態無輸出脈沖時，將ON_OFF設為高電平，切斷外圍電路的供電，從而有效地降低系統的電流損耗。

　　3 ATmega48單片機及其脈沖發生電路

　　3.1 ATmega48單片機及應用

　　ATmega48單片機是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機，采用TQFP32緊湊型封裝，批量生產時還可以選用更小體積的MLF32封裝(尺寸僅為5mm×5mm)。內有4KB的Flash程序存儲器、256B的EEPROM和512B的靜態存儲器。支持ISP串行下載方式。

　　ATmega48單片機為RISC結構，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統時鐘有外部低頻、外部高頻、內部RC振蕩器時鐘等多種工作方式可以選擇。選擇方法是通過編寫熔絲位，并結合軟件編程與時鐘相關的寄存器實現。選擇單片機的時鐘頻率越高，單片機的功耗也越大。本系統選用128kHz的內部RC振蕩器，在工作電壓為3V時，靜態電流小于60μA。休眠狀態時靜態電流更低。ATmega48單片機內有六種省電休眠模式，可以使儀器在非工作期間進入休眠狀態。ATmega48的系統時鐘還可以通過編程分頻進一步地降低時鐘頻率，減小功耗，在儀器休眠期，采用32倍的分頻系數將時鐘降低到4kHz。

　　ATmega48單片機內有兩個8位的定時/計數器，一個16位的定時/計數器，可以滿足本系統對開啟時間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機還有6個PWM輸出口，可以用于調節儀器的刺激強度。ATmega48單片機內部有獨立的硬件看門狗時鐘，可以有效地防止單片機死機。

　　本系統選用的ATmega48V是ATmega48的低電壓工作的芯片，選用ATmega48V作為電刺激器的主控芯片，幾乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范圍的電壓下工作，在電池使用的有效電壓范圍內，單片機均可正常工作，能充分利用電池的容量。

　　3.2 脈沖發生電路

　　通常具有一定驅動功率的脈沖輸出電路首先產生脈沖波形，再將脈沖波形用集成的功率放大器作驅動放大，放大電路工作在線性放大區。這種放大電路必須具有靜態電流來維持合適的靜態工作點，功耗較大。為了降低耗電流，本系統的電刺激器用開關方式生成刺激脈沖。單片機及其脈沖發生器電路原理如圖3所示。J1是刺激電極的接線端子，OC0A是ATmega48V定時器0的PWM輸出口，根據實驗的要求調節輸出強度。用PWM輸出以及R6、R7、C6和C7組成的濾波器調節U3A正相的輸入電壓。運放U3A接為正相放大方式，放大倍數由R8和R9決定。Q2為功率放大三極管，增大輸出的驅動能力。Q3工作在開關狀態，用于控制輸出脈沖的寬度和頻率，當ATmega48V的9腳是高電平時，Q3導通，輸出刺激脈沖；導通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關閉，脈沖結束；按10Hz的頻率循環往復。