表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器的原理與設(shè)計(jì)

1、表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器的原理與設(shè)計(jì)表面肌電（surface electromyography, semg）信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在舉行任意性和非任意性活動(dòng)時(shí)的生物電變幻經(jīng)表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維時(shí)光序列信號(hào)，其振幅約為0-5000v，頻率0-1000hz，信號(hào)形態(tài)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的針式肌電圖相比，semg的空間辨別率相對(duì)較低，但是探測(cè)空間較大，重復(fù)性較好，對(duì)于體育科學(xué)討論、康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)討論等具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義。人體是一導(dǎo)電體，工頻干擾及體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲，干擾semg的檢測(cè)，所以信號(hào)的濾波和的屏蔽成為表面肌電信號(hào)數(shù)字設(shè)計(jì)

2、的重點(diǎn)。分為幾個(gè)部分：電極、放大電路、濾波電路、a/d轉(zhuǎn)換。2。電極的設(shè)計(jì)本文電極極片的基體用銅制作，表面鍍銀，其形式采納常用的雙極型，并在兩個(gè)電極中間插入了一個(gè)參考電極，也稱作無關(guān)電極，以利于降低噪聲，提高對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。為了消退來自電源線的噪聲，采納差動(dòng)放大的辦法。肌電信號(hào)由兩個(gè)電極來檢測(cè)，兩個(gè)輸入信號(hào)“相減”，去掉相同的“共?！背煞?，只放大不同的“差模”成份。任何噪聲假如離檢測(cè)點(diǎn)很遠(yuǎn)，在檢測(cè)點(diǎn)上將表現(xiàn)為“共?！毙盘?hào)；而檢測(cè)表面附近的信號(hào)表現(xiàn)為不同，將被放大。因此，相對(duì)較遠(yuǎn)處的電力線噪聲將被消退，而相對(duì)照較近處的肌電信號(hào)將被放大。其精確性由共模抑制比（cmrr）來衡量。肌電信息在人體

3、組織(容積導(dǎo)體)內(nèi)的傳遞，會(huì)隨著距離的增強(qiáng)而很快衰減。因此電極宜貼放在肌電發(fā)放最強(qiáng)的肌腹部，以削減鄰近肌肉的肌電干擾(串音)。采納較小的電極可提高挑選性，但會(huì)增強(qiáng)電極與皮膚間的接觸阻抗。3。放大電路的設(shè)計(jì)人體肌肉組織是皮表肌電的信號(hào)源，它發(fā)放的肌電經(jīng)過皮下軟組織的體傳輸至皮膚表面，體電阻約數(shù)百歐姆，但是，表面電極與皮膚之間的接觸阻抗比較高，約幾千歐姆。接觸電阻還受接觸松緊程度、皮膚清潔程度、濕度、四季時(shí)令變幻等多種因素影響，變幻很大。由此可見，對(duì)于來說，肌電信號(hào)源是一個(gè)高內(nèi)阻的信號(hào)源。在設(shè)計(jì)肌電信號(hào)放大電路時(shí)，著重考慮了以下問題：1）高增益：表面肌電信號(hào)幅度約在分布vmv數(shù)量級(jí)之間，是一種極其

4、微弱的信號(hào)，要將其放大到一伏左右才干便利用法，所以將放大器的增益設(shè)置在80db。2）高共模抑制比：表面肌電信號(hào)的采集易受50hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號(hào)在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號(hào)共模信號(hào)，因此選用高共模抑制比的放大電路對(duì)干擾信號(hào)舉行抑制。3）高輸入阻抗：肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變幻，天氣干燥地區(qū)，接觸電阻甚至高達(dá)幾萬歐姆，在這種條件下，即使放大器的共模比極優(yōu)良，假如輸入阻抗不夠高，共模干擾信號(hào)也會(huì)造成輸出誤差。因此必需提高放大器的輸入阻抗。按照以上所述，設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)采集電路要求具有高增益、高輸入阻抗、高共摸抑制比(cmrr)、低零漂、低

5、失調(diào)、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓。本文選用（texas instruments）公司的burr-brown系列的同相并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器ina128pa為核心器件搭建了前置放大電路，獲得了良好的電路效果。該芯片內(nèi)部原理1所示。圖1 ina128內(nèi)部原理圖表面肌電信號(hào)十分微弱，從電極引導(dǎo)出的信號(hào)夾雜著很強(qiáng)的干擾信號(hào)，為了避開在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)進(jìn)入非線性區(qū)引起嚴(yán)峻失真，應(yīng)當(dāng)采納兩級(jí)放大。儀用放大器ina128作為一級(jí)放大，設(shè)計(jì)比例作為二級(jí)放大。4 的設(shè)計(jì)表面肌電信號(hào)普通惟獨(dú)毫伏級(jí)電壓，信號(hào)中往往夾帶著低頻（臨近直流）和高頻的干擾信號(hào)，真正實(shí)用的肌電信號(hào)大致在10hz500hz之間。除此之外

6、，50hz的工頻信號(hào)也是一個(gè)重要的干擾源，假如不去除可能會(huì)掩蓋表面肌電信號(hào)，按照這些特別要求，專用濾波器必需具有隔直、濾波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。采納壓控電壓源型二階低通濾波器。50hz工頻信號(hào)對(duì)表面肌電信號(hào)的采集有很大的影響，它的頻率恰好在表面肌電信號(hào)能量集中的頻段，且其幅度比表面肌電信號(hào)大13個(gè)量級(jí)，因此必需除去。本設(shè)計(jì)中采納雙t有源濾波器來濾除50hz的工頻信號(hào)，2所示。圖2 雙t有源濾波器電路下面來分析可能引入工頻干擾的途徑：1）由空間輻射引入：空間的電磁場(chǎng)可以通過檢測(cè)設(shè)備中的電極連線、印刷電路板上的連線、器件引腳或器件本身感應(yīng)為相應(yīng)頻率成分的，成為噪聲混入肌電信

7、號(hào)。空間的電磁場(chǎng)可能來自于多種源，最致命的是電網(wǎng)輻射造成的工頻干擾。2）由直流電源引入：檢測(cè)設(shè)備中，為有源器件供電的直流電源通常都是由工頻溝通電源變壓、整流、穩(wěn)壓而得到的。直流不行能達(dá)到抱負(fù)的濾波效果。以紋波形式存在的工頻(或其諧波)電流會(huì)通過電源引入到放大電路中。3）由受試者身體引入：裸露于空間電磁場(chǎng)中的受試者身體同樣會(huì)感應(yīng)電磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，受試者身體所感應(yīng)的工頻電流通過檢測(cè)電極，與生物電信號(hào)一起加到放大器輸入端，形成工頻干擾。針對(duì)直流電源引入的工頻干擾，采納電池對(duì)有源器件舉行供電。采納電池供電不僅避開了整流穩(wěn)壓電源紋波所帶來的工頻干擾問題，而且還消退了因漏電而導(dǎo)致受試者被電擊傷的可能。

8、因?yàn)殡姵氐碾妷狠^低，用多節(jié)電池又會(huì)顯得體積浩大，所以采納dc/dc模塊來升壓解決芯片的供電問題。5 a/d轉(zhuǎn)換因?yàn)椴蓸宇l率并不高，選用8位串行a/d轉(zhuǎn)換器0832即可。adc0832用法采樣數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，采納逐次靠近方式舉行轉(zhuǎn)換。按照多路器的軟件配置，單端輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和地端；差分輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和另一輸入端。adc0832的兩輸入可以分配為正極或負(fù)極，可以由多路器舉行軟件配置。但是要注重的是，當(dāng)連到分配為端的輸入電壓低于分配為負(fù)端的輸入電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0。通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制指令，用軟件對(duì)通道挑選和輸入端的配置。串行通信格式在不增強(qiáng)封裝大小的狀況下，可以在轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能。另外，可把轉(zhuǎn)換器和模擬傳感器放在一起，和遠(yuǎn)端的控制處理器串行通信，而不是舉行低電平的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送。這樣的處理使返回處處理器的是無噪聲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，避開了模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳的干擾。囫圇采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢，詳細(xì)電路圖3所示：圖3 系統(tǒng)電路圖 6 結(jié)論表面肌電信號(hào)十分微弱，先要對(duì)微弱信號(hào)舉行放大，才干達(dá)到ad采集單元的要求