表面肌電信號檢測電路的設(shè)計(jì)

1、PAGE 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （ 2016 屆 ）題 目 表面肌電信號檢測電路的 設(shè)計(jì)學(xué) 院 物理與電子工程學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動化班 級 12電氣工程及其自動化(1）班學(xué) 號 1230230007學(xué)生姓名 陳夢力指導(dǎo)教師 楊廣映 講師完成日期 2016年3月臺州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)臺州學(xué)院可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保 密

2、，在一年后，解密適用本授權(quán)書.無密級。（請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 日期： 2016 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期: 2016 年 月 日表面肌電信號檢測電路的設(shè)計(jì)Design of surface EMG signal detection circuit學(xué)生姓名：陳夢力Student： Chen MengLi指導(dǎo)老師：楊廣映 講師Adviser： lecturer Yang GuangYing臺州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院School of Physics & Electronics EngineeringTaizhou UniversityTaizhou, Zhejiang, Chin

3、a2016年3月March 2016臺州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要表面肌電信號是人體肌肉收縮時(shí)在皮膚表面產(chǎn)生的一種生物信號，能夠反映神經(jīng)肌肉的活動,所以表面肌電信號在醫(yī)學(xué)研究和體育研究等方面有廣泛的應(yīng)用。本文主要是介紹了對表面肌電信號檢測電路的設(shè)計(jì)。肌電信號具有電壓幅度小和低頻率的特點(diǎn)。采集電路設(shè)計(jì)模塊主要分為電極信號采集、儀表放大、高通濾波、低通濾波、帶阻濾波、差分調(diào)壓和電源供電電路1-2。最后通過采集卡傳輸?shù)诫娔X上通過LabVIEW顯示表面肌電信號。研究通過Multisim進(jìn)行仿真驗(yàn)證,通過實(shí)驗(yàn)，電路板可以將表面肌電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并顯示在電腦上，整體信號清晰.關(guān)鍵詞表面肌電信號；仿真軟

4、件；檢測電路;數(shù)據(jù)采集卡AbstractThe surface Electromyography signal is a biological signal generated on the surface of the skin of human body muscle contraction， can reflect the neuromuscular activity， so the surface Electromyography signal has been widely used in medical research and sports research.This paper

5、 mainly introduces the design of surface EMG signal detection circuit。 The EMG signal has the characteristics of small amplitude and low frequency voltage. Acquisition module mainly divided into electrode signal acquisition， instrumentation amplifier， high pass filter， low-pass filter, band-pass fil

6、tering, differential voltage and power supply circuit. The acquisition card is transmitted to the computer through the LabVIEW display of surface EMG signal。 Through the research on the Multisim simulation, through the experiment， the circuit board can be surface EMG signal real-time acquisition and

7、 display on the computer, the whole clear signal.Key wordsSurface Electromyography signal; Multisim； Detecting circuit；Data acquisition card目 錄 TOC o 12 h z u HYPERLINK l _Toc414038663” 1。 緒論5 HYPERLINK l _Toc414038664 1.1肌電信號研究意義5 HYPERLINK l ”_Toc414038665” 1。2肌電信號研究發(fā)展5 HYPERLINK l ”_Toc414038666”

8、 1.3本文研究內(nèi)容5 HYPERLINK l _Toc414038667 2肌電信號生物基礎(chǔ)和特征6 HYPERLINK l _Toc414038668 2.1肌電信號生物基礎(chǔ)6 HYPERLINK l ”_Toc414038669” 2。2肌電信號的特征7 HYPERLINK l ”_Toc414038674” 3肌電信號檢測電路硬件設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l _Toc414038675 3.1總體設(shè)計(jì)框圖8 HYPERLINK l _Toc414038676” 3.2肌電信號檢測電路設(shè)計(jì)8 3.2.1. 電極采集.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。

9、.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.8 3.2.2。 儀表放大電路。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。9 3。2。3. 高通濾波電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.10 3.2。4. 低通濾波電路。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。11 3。2。5. 帶阻濾波電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.12 3。2。6. 差分調(diào)壓電路。.。.。.。.。.。.。.。.。

10、.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.12 3.2。7。 供電電源電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。13 HYPERLINK l _Toc414038670 4肌電信號檢測電路的Multisim仿真13 HYPERLINK l _Toc414038671” 4.1Multisim仿真環(huán)境介紹14 HYPERLINK l _Toc414038672” 4。2電路模塊仿真測試14 4。2。1. 儀表信號放大電路仿真。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.14 4。2。2。 高通電路仿真.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。

11、.。15 4.2.3. 低通電路仿真。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。16 4.2。4。 帶阻電路仿真。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.18 5。 硬件制作及安裝.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。19 5.1. 肌電信號檢測電路板制作。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.19 5。2。 數(shù)據(jù)采集卡安裝.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。

12、.。.21 HYPERLINK l _Toc414038678” 6肌電信號檢測系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc414038678 h 21 HYPERLINK l ”_Toc414038679 6.1調(diào)試方法及流程 PAGEREF _Toc414038679 h 21 HYPERLINK l _Toc414038680” 6。2調(diào)試中遇到的問題以及解決方法 PAGEREF _Toc414038680 h 21 HYPERLINK l ”_Toc414038681 6。3數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果分析 PAGEREF _Toc414038681 h 22 HYPERLINK l ”_Toc4140386

13、82” 7總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc414038682 h 23 HYPERLINK l ”_Toc414038683” 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc414038683 h 25 HYPERLINK l _Toc414038684” 謝辭 PAGEREF _Toc414038684 h 26 HYPERLINK l _Toc414038684” 附頁 PAGEREF _Toc414038684 h 27臺州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1。 緒論因戰(zhàn)爭、疾病、事故導(dǎo)致殘疾的人越來越多，對于殘疾人的醫(yī)治，使用假肢可以很好地彌補(bǔ)他們在生活上所帶來的不便.假肢有很多種，其中肌電假肢是由大腦神

14、經(jīng)控制肢體肌肉動作產(chǎn)生的肌電信號,電路板采集和檢測肌電信號,并控制驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生動作，肌電假肢使用起來靈活，控制精度高，是將來假肢主要的發(fā)展趨勢5.肌電信號檢測還可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療，借助仿真機(jī)械手進(jìn)行手術(shù)，此外肌電信號檢測在運(yùn)動生物學(xué)、科學(xué)體育等方面有廣泛的應(yīng)用3。1.1肌電信號研究意義肌肉刺激時(shí)會生成一個(gè)個(gè)電位序號,在皮膚表面聚集,形成表面肌電信號3，9。通過對肌電信號的研究，表面肌電信號在醫(yī)療方面和科學(xué)體育等方面有廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療康復(fù)中,對表面肌電信號的采集、檢測和分析可以控制微電機(jī)讓假肢做出相對應(yīng)的動作,完成相對應(yīng)的動作。在科學(xué)體育中,通過對肌電信號的檢測，對肌肉運(yùn)動中的狀態(tài)進(jìn)行研究，促

15、進(jìn)科學(xué)體育的發(fā)展3，9.1。2肌電信號研究發(fā)展 通過肌電信號特征，來有效采集肌電信號是重要的。在假肢控制和康復(fù)研究領(lǐng)域，對于肌電信號與肌肉力的關(guān)系,肌電信號與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩間關(guān)系，肌肉疲勞時(shí)的及肌電信號特征及補(bǔ)償方法等的研究越來越多14。 1791年加伐尼在蛙類肌肉上做實(shí)驗(yàn),證明肌肉的動作與電信號有一定的關(guān)系13。1851年法國的杜波依斯一雷蒙德最早檢測到人體肌肉的電信號13。1907年派帕利用弦線檢流計(jì)記錄到人臂肌肉的電勢差13。1922年加塞和厄蘭格才用陰極射線示波器觀察到了肌電圖13。到了1950以后,電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使人們對肌電信號的有了進(jìn)一步地發(fā)展研究.后來微處理器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)

16、了肌電信號定量分析13。這些技術(shù)的發(fā)展，使得促進(jìn)了肌電信號檢測的發(fā)展.1.3本文研究內(nèi)容本文研究的是對表面肌電信號檢測電路的設(shè)計(jì)，檢測電路的作用是將人體表面的肌電通過電路板采集進(jìn)來，然后將采集到的人體肌電信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，最后將肌電信號在電腦上顯示出來。表面肌電信號具有微弱性,交變性,低頻性的特點(diǎn)，檢測電路主要分為電極信號采集，儀表芯片放大,高通濾波，低通濾波,帶阻濾波,差分調(diào)壓和供電電源這七個(gè)模塊,通過肌電信號檢測電路，將肌電信號有效地采集到電腦端。肌電信號生物基礎(chǔ)和特點(diǎn)2.1肌電信號生物基礎(chǔ)肌電信號是由脊髓中運(yùn)動神經(jīng)元發(fā)出的電信號.運(yùn)動神經(jīng)元主要是由細(xì)胞體、樹突、軸突、髓鞘和神經(jīng)末梢組

17、成，如圖2-1。圖21神經(jīng)元結(jié)構(gòu)組成神經(jīng)元可以傳輸信號，膜上有很多受體和離子通道,當(dāng)遞質(zhì)與受體結(jié)合時(shí)或者膜內(nèi)外離子濃度發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞膜會產(chǎn)生興奮或者抑制，并將其信號傳輸?shù)较乱粋€(gè)神經(jīng)元。細(xì)胞質(zhì)主要是給細(xì)胞提供營養(yǎng)。樹突是由細(xì)胞膜分離出來的像樹枝形狀的膜，這樣可以使得遞質(zhì)與受體結(jié)合面積大大增大,從而使細(xì)胞膜更加敏感.軸突是由髓鞘包裹，信號通過軸突傳遞到神經(jīng)末梢，神經(jīng)末梢分支很多，膜接觸面積就越大，這樣可以更加完全地將信號傳輸?shù)较乱粋€(gè)神經(jīng)元進(jìn)行信號傳輸13。圖22肌電信號產(chǎn)生原理13肌電信號產(chǎn)生的原理，如圖2-2。神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生肌肉動作的指令時(shí)，運(yùn)動神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)刺激，該刺激經(jīng)過神經(jīng)元之間傳輸,傳遞

18、到與肌纖維接觸的終板上，產(chǎn)生動作電位，將大量的動作信號合在一起就形成了運(yùn)動單元,最后將很多的神經(jīng)元所產(chǎn)生的運(yùn)動單位合起來就形成了肌肉動作行為13。神經(jīng)電信號通過神經(jīng)元的傳遞產(chǎn)生動作電位從而導(dǎo)致肌肉動作，在傳播中電信號引起電流場，將電極緊貼皮膚上，肌肉發(fā)生動作時(shí)，電極上的電位差就是表面肌電信號.2.2肌電信號的特征人身體上每一個(gè)部位的肌電是不同的,每一個(gè)人的肌電信號也是不同的，但是肌電信號普遍有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1。微弱性。肌電信號是一種微弱信號。信號電壓幅度一般在20-300V，所以檢測電路中要對肌電信號進(jìn)行放大，方便后面采集卡的信號采集5。2.交變性.肌電信號一種交流疊加信號。信號的強(qiáng)弱與肌肉動

19、作的力度成正比5。3。低頻性.人體表面的肌電信號的頻率范圍一般在01000Hz之間，能量主要分布在10Hz到200Hz。檢測電路中要對肌電信號進(jìn)行高通、低通過濾，將干擾信號除去,提取出有效的肌電信號5。4。頻域法比時(shí)域法更好地反應(yīng)肌電信號的特征。肌肉動作力度發(fā)生變化時(shí)，時(shí)域法的波形可能會有較大的波動，而頻域法的波形則變化不大5.3肌電信號檢測電路硬件設(shè)計(jì)3。1總體設(shè)計(jì)框圖 本文主要是研究對肌電信號檢測電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖31.整個(gè)檢測電路件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為：電極信號采集并放大、儀表放大、高通濾波、低通濾波、帶阻濾波、差分調(diào)壓、供電電源.圖3-1 總體設(shè)計(jì)框圖 當(dāng)人體的肌肉動作時(shí)，電極將人體表面

20、上的肌電信號采集進(jìn)來并對其放大一定的倍數(shù)，然后將肌電信號傳輸給儀表放大芯片，將信號放大，隨后肌電信號通過高通濾波，低通濾波和帶阻濾波,提取出有效信號。隨后將此信號經(jīng)過差分電路進(jìn)行調(diào)壓，輸入到數(shù)據(jù)采集卡里，最后通過數(shù)據(jù)采集卡將信號傳輸?shù)絇C端，由Labview顯示出信號波形.3.2肌電信號檢測電路設(shè)計(jì)3.2.1電極采集電極可以采集和檢測生物信號。肌電信號易受外界干擾，選用電極也是十分重要的,盡可能地將肌電信號不失真地采集。一般采用的電極是三點(diǎn)差動式輸入電極,一極作為參考點(diǎn)，另外兩端作為輸入端，三個(gè)極板之間距離都是等距的。本文現(xiàn)在采集的肌電信號，采用表面三點(diǎn)差動式輸入電極，實(shí)用方便，形狀像長方形一

21、個(gè)，3塊電極等間距安裝,中間端為參考點(diǎn)，另兩端為輸入端，這樣采集到的肌電信號有基準(zhǔn)，不會產(chǎn)生電壓漂移4. 放置電極時(shí)需注意一下幾點(diǎn)：1.清洗皮膚表面，用酒精擦拭干凈,減少電極的阻抗.2。檢測過程中，電極的導(dǎo)線不要隨意挪動，要固定住。3。將電極放置于皮膚表面時(shí),壓力要適當(dāng)，不要過大。3.2。2儀表放大電路 從電極上采集過來的肌電信號雖然經(jīng)過一定的放大，但是其電壓幅值還是很小，所以要用儀表芯片對其信號進(jìn)行放大。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)研究以下幾個(gè)問題。1。放大器增益范圍廣且可變。從電極采集過來的信號大概在2mV左右，是一種及其微弱的信號，需要將此信號放大到1V左右，因此放大倍數(shù)可以選在500倍左右.2。電路的共模

22、抑制比要大。肌電信號的采集容易受到工頻電源和高頻信號的干擾，干擾信號在輸出端表面為同幅同向的共模信號，設(shè)計(jì)電路要求要較高的共模抑制比4.3。電路要有很高的輸入阻抗.電路的輸入阻抗要大于皮膚與電極的之間接觸阻抗，這樣提高輸入信號的準(zhǔn)確性. 本文采用了AD620芯片對信號進(jìn)行放大，差動輸入，單端輸出。差動輸入抑制共模信號，放大差模信號。芯片的電壓增益是有一個(gè)外接電阻確定，放大倍數(shù)1-1000倍，放大范圍廣,放大倍數(shù)調(diào)節(jié)簡單。電壓增益公式為G=50K/Rg +1.本次設(shè)計(jì)Rg阻值設(shè)為100歐姆，放大倍數(shù)為501倍。為了減少電源干擾信號，芯片供電中都用瓷片電容進(jìn)行濾波12。電路如圖3-2.圖3-2 儀

23、表放大電路 3。2。3高通濾波電路采集過來的肌電信號頻率在1-1000Hz段,肌電信號能量主要集中在10-200Hz頻率段中，所以要對肌電信號進(jìn)行濾波，濾去一些干擾信號和多余信號，采集有效的肌電信號。本文采用壓控式電壓源二階高通濾波.壓控式電壓源二階高通濾波電路是由電阻、電容和運(yùn)放組成的電路，通過電阻和電容值的匹配可以確定濾波器的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)。肌電信號的下限頻率為10Hz，所以本文設(shè)置的頻率為5Hz12.電路如圖3-3。圖3-3 壓控式電壓源二階高通濾波電路1放大倍數(shù)：Aup=1+R7/R6=1+3.4=4.4截止頻率:C4=C5=0.1uF，R4=R5=315K，F(xiàn)p=1/2*R*C=5Hz

24、品質(zhì)因數(shù)：Q=|1/(3Aup)=0.7采用巴特沃斯濾波，使得在頻帶區(qū)沒有明顯的波動,使整體信號得到穩(wěn)定1-2。3.2。4低通濾波電路 采集的肌電信號中有很多高頻率的干擾信號，通過低通濾波電路除去這些干擾信號,肌電信號的的頻率在10-200Hz,設(shè)置截止頻率為200Hz，盡管會損失一部分的少量肌電信號,但是可以大大的減少噪聲和高頻干擾信號的影響。本文采用二階壓控電壓源低通濾波電路.壓控式電壓源二階低通濾波電路是由電阻、電容和運(yùn)放組成的電路,通過電阻和電容值的匹配可以確定濾波器的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)。運(yùn)放芯片是高精度OP07運(yùn)放，設(shè)置截止頻率為200Hz1-2.電路如圖3-4。圖34 壓控式二階低通濾波

25、電路1放大倍數(shù)：Aup=1+R18/R17=1+3。4=4.4截止頻率：C11=C12=0。4uF,R15=R16=2K，F(xiàn)p=1/2*RC=200Hz品質(zhì)因數(shù):Q=|1/（3Aup）=0。7采用巴特沃斯濾波,頻帶可能有點(diǎn)寬，但在頻帶區(qū)沒有明顯的波動，使整體信號得到穩(wěn)定1-2.3。2.5帶阻濾波電路整體電源供電是市電,信號中會有工頻信號的干擾，設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻電路濾去雜波。本文采用的是雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波電路，該電路可以分為一個(gè)是高通電路，另一個(gè)是低通電路,將這2個(gè)電路合并起來實(shí)現(xiàn)帶阻濾波12，。電路如圖3-5。圖35 帶阻濾波電路通帶放大倍數(shù):Aup=1+R22/R21=2。17中心頻率：C15=C

26、16=0。35uF,R19=R20=9K，fo=1/2*RC=50Hz品質(zhì)因素: Q=1/2|2-Aup|=3阻帶寬度：BW=fo/Q=16通過電阻和電容值的匹配可以確定濾波器的各個(gè)參數(shù)指標(biāo).實(shí)際仿真中當(dāng)品質(zhì)因素變大時(shí),雖然阻帶寬度會變小，但是會出現(xiàn)頻帶交叉導(dǎo)致中心頻率的放大倍數(shù)會增大，而且可能會導(dǎo)致濾波效果不穩(wěn)定，所以要取合適的品質(zhì)因素，這樣過濾的效果才能達(dá)到最好1-2。3.2。6差分調(diào)壓電路在肌電信號檢測過程中，肌電信號可能會發(fā)生電壓基準(zhǔn)偏移,導(dǎo)致整體信號偏移。設(shè)計(jì)一個(gè)差分調(diào)壓電路就可以將偏移的肌電信號調(diào)到基準(zhǔn)位置。運(yùn)放正端輸入是由電阻分壓控制的電壓，另一端接輸入的信號，經(jīng)過差分比例電路，

27、信號進(jìn)行調(diào)壓12。電路如圖3-6。圖36 差分調(diào)壓電路差分輸出電壓公式Uo=Rf/R（U+ - U)，其中Rf=R25 ,R=R24，U+為可調(diào)電壓,U為出入肌電信號電壓1-2。通過此差分調(diào)壓電路可以很好地將信號調(diào)整到基準(zhǔn)位置，這樣就方便后面數(shù)據(jù)采集卡地信號采集。3.2.7供電電源電路供電電路將+5V電壓通過IA0505S芯片裝換為5V電壓,給運(yùn)放運(yùn)放芯片提供電源,之前選擇芯片1W,電源的供電電壓不能額定值,后來改換芯片功率為2W，使供電電壓達(dá)到額定值。IA0505S芯片輸入為DC+5V，輸出選擇一端作為參考點(diǎn)，其余兩端相對這點(diǎn)參考點(diǎn)輸出分別輸出正負(fù)5V,給運(yùn)放和芯片提供電源。電路如圖37。圖

28、3-7 供電電源電路肌電信號檢測電路的Multisim仿真 Multisim能對各種不同的電路進(jìn)行功能仿真,功能強(qiáng)大。本文用Multisim對檢測電路中儀表放大電路,高通濾波電路，低通濾波電路和帶阻濾波電路進(jìn)行仿真。4。1Multisim仿真環(huán)境介紹 Multisim具有電路原理圖的圖形輸入和電路硬件描述語言輸入的方式,有很強(qiáng)的仿真功能10.Multisim通過放置圖形元器件，進(jìn)行電路原理連接，從而達(dá)到仿真功能10。Multisim為用戶提供了大量的元器件，用戶也可以自己制作自己的器件，這樣就大大地增強(qiáng)了Multisim的仿真靈活性10。用戶可以從元器件選擇自己需要的元器件，并對這些元器件進(jìn)行

29、參數(shù)測試,然后將這些元器件按照電路圖連接起來,并用Multisim上的虛擬儀器進(jìn)行功能的測試。本論文使用Multisim10進(jìn)行電路仿真測試。 Multisim可以將學(xué)習(xí)過的理論很好地應(yīng)用到電路當(dāng)中，為設(shè)計(jì)電路提供了很好的理論基礎(chǔ)。4。2電路模塊仿真測試4.2。1. 儀表信號放大電路仿真儀表信號放大是對從電極上采集過來的肌電信號進(jìn)行放大，仿真時(shí)用的INA114芯片，后期制板時(shí)由于實(shí)驗(yàn)室里沒有現(xiàn)成的INA114，所以就用了AD620，兩款芯片功能差不多。仿真采用的是INA114AP芯片對肌電信號進(jìn)行儀表放大，放大的倍數(shù)為501倍。輸入信號用的是示波器發(fā)出的有效值2。8mV的交流電壓信號，電源給I

30、NA114AP芯片供電5V,外接電阻100實(shí)現(xiàn)放大501倍，分別在輸入端和輸出端接上萬用表和示波器，測量信號的有效值。電路如圖41。圖4-1 儀表放大電路仿真仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4-2所示。圖4-2 儀表信號放大電路仿真結(jié)果如圖42所示，輸入和輸出的萬用表顯示，輸入信號為有效值2。8mA的交流信號,經(jīng)過INA114芯片放大，輸出信號為有效值1.41V的交流信號,放大倍數(shù)為501符合設(shè)計(jì)的要求。4.2。2。 高通電路仿真 設(shè)計(jì)高通電路截止頻率為5Hz，對此電路進(jìn)行仿真.輸入信號采用的是交流電源產(chǎn)生的交流信號,整體電路連接采用的是壓控性二階高通濾波電路，在輸入端和輸出端接上波特表，測試幅頻特性，電源給

31、芯片提供正負(fù)5V，輸出端和輸入端分為接萬用表和示波器,萬用表用來測試信號電壓有效值,示波器是用來檢測信號的整體波形.仿真電路如圖43。通過不斷地改變C3，C4，R3,R4的值來確定合適的幅頻特性，最后選定固定值，得到最終仿真結(jié)果圖。圖43 高通電路仿真 仿真結(jié)果如圖44所示.圖4-4 高通電路仿真結(jié)果如圖所示此顯示幅頻曲線，藍(lán)色的線是頻率線，紅線是幅度曲線，截止頻率為5Hz，分貝約為10dB，頻帶響應(yīng)曲線沒有波動，阻頻帶以10分貝下降12.符合5Hz高通設(shè)計(jì)的要求。4。2。3。 低通電路仿真設(shè)計(jì)低通電路截止頻率為200Hz.輸入信號是交流電源產(chǎn)生的交流信號,在輸入端和輸出端接上波特表，測試幅頻

32、曲線，電源給芯片提供正負(fù)5V，輸入和輸出端也接有萬用表和示波器分為測量輸入和輸出的有效值和波形。整體電路連線按壓控性二階低通電路進(jìn)行連接，仿真如圖45。通過不斷地改變R1、R5和C1、C2的值，來確定最終的幅頻曲線.最終選定固定值，得到最終的仿真結(jié)果圖。圖45 低通電路仿真仿真結(jié)果如圖46所示。圖46 低通電路仿真結(jié)果如圖所示顯示幅頻曲線，綠色的線是頻率線，紅線是幅度曲線，截止頻率為200Hz，以10dB分貝下降至零，頻帶響應(yīng)曲線沒有明顯起伏。符合設(shè)計(jì)200Hz低通的要求。4.2。4。 帶阻電路仿真 帶阻有源濾波器，濾去工頻50Hz干擾信號。輸入為交流信號，電路的輸入端和輸出端接上波特器,測試

33、幅頻特性曲線,電源給芯片提供正負(fù)5V，輸入和輸出端還接有萬用表和示波器，分別測量電壓的幅值和波形。仿真電路如圖47。通過不斷地改變C1、C2和R1、R5的值,來確定合適的幅頻曲線特征。最終選定固定值,得到最終的仿真結(jié)果圖.圖47 帶阻電路仿真仿真結(jié)果如圖48所示。圖4-8 帶阻電路仿真結(jié)果如圖所示顯示幅頻曲線，綠色的線是頻率線,紅線是幅度曲線，帶阻電路的中心截止頻率為50Hz，分貝為18dB，可以有效去除工頻干擾信號。曲線整體性好，滿足50Hz帶阻的設(shè)計(jì)要求。硬件制作及安裝硬件制作主要是制作檢測電路板，硬件安裝是將數(shù)據(jù)采集卡安裝到電腦上。硬件制作分為畫原理圖和PCB圖，然后將板通過各個(gè)工序制作

34、出來。硬件的安裝是將電腦上的聲卡卡槽拔出來，插上數(shù)據(jù)采集卡，這樣信號就可以通過數(shù)據(jù)采集卡采集到電腦里，通過電腦顯示出來。5.1肌電信號檢測電路板制作在Altium Designer軟件上畫出肌電信號采集電路原理圖如圖5-1所示。從原理圖上看，整體電路分為前端儀表放大,高通濾波，低通濾波，帶阻濾波，差分放大和電源供電電路，總共是做2路肌電信號的采集。前端采用的AD620芯片進(jìn)行放大501倍，高通濾波和低通濾波都是采用的壓控式二階濾波，可以有效地去除雜波,帶阻濾波采用的是通用的高低通混疊加濾波，差分放大電路主要是調(diào)節(jié)肌電信號的幅值，電源供電電路采用的IA0505S芯片,將正5V轉(zhuǎn)化為正負(fù)5V，給芯

35、片提供電源。畫好原理圖之后，將原理圖更新到PCB圖，并在PCB上排版和布線。如圖52所示,為了減少干擾信號，外面全都鋪上銅，布局安排是按照信號的傳輸順序依次進(jìn)行布局，封裝全都采用插件形式。畫完P(guān)CB后，然后打印PCB圖,在銅板上熱轉(zhuǎn)印PCB圖，經(jīng)過腐蝕、打孔、擦板，最后將元器件焊上,并對電路板進(jìn)行檢測，用萬能表對每一條線路進(jìn)行測試,檢查焊盤點(diǎn)是否真正地焊上，或者線路是否有斷開等問題.圖51 肌電信號原理調(diào)圖圖52 肌電信號PCB圖畫原理圖和PCB時(shí)，根據(jù)具體的芯片型號，建立元器件庫，為了盡可能減少干擾,每一個(gè)芯片的供電電源都連接了過濾瓷片電容。畫PCB時(shí),為了減少噪聲的干擾,將整個(gè)電路鋪上銅。

36、芯片電源的濾波電容盡量靠近芯片，增強(qiáng)濾波效果.布線方向盡可能跟原理圖一致,這樣可以減少信號在傳輸過程中的損失9。焊元器件時(shí)，不要出現(xiàn)虛焊，最好用萬用表對每一條線路進(jìn)行檢測,這樣為之后的調(diào)試減輕負(fù)擔(dān)。5.2NI PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡安裝NI PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡主要將檢測電路采集到的肌電信號傳輸?shù)诫娔X上，將肌電信號完整地采集進(jìn)電腦,電腦再通過LabView顯示出來肌電信號。NI PCI6024E低價(jià)位數(shù)據(jù)采集板卡。它在各種場合中可以實(shí)現(xiàn)高性能的信號傳輸。它具有16個(gè)模擬輸入通道，可以到當(dāng)做8個(gè)差模通道，A/D精度為12位17。它有8個(gè)數(shù)字通道，2個(gè)輸出通道.整體NI PCI6024E

37、數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的信號傳輸17.在本設(shè)計(jì)中輸出的是2路肌電信號，只需要用到4個(gè)模擬輸入通道，12位A/D滿足對肌電信號采集的精度要求。NI PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡安裝，將臺式電腦上的聲卡取下，將數(shù)據(jù)采集卡接頭接上電腦,并下載驅(qū)動,通過LabView顯示出采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡上給電路可提供正負(fù)5V電壓，設(shè)置引出2路單獨(dú)的采集信號端子，連接檢測電路的輸出端。肌電信號檢測系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試是將整個(gè)肌電信號檢測系統(tǒng)全部連接起來進(jìn)行調(diào)試，連接肌電檢測電路板，安裝數(shù)據(jù)采集卡連接電腦。調(diào)試中會出現(xiàn)很多問題，一個(gè)個(gè)慢慢地分析解決，以下介紹我調(diào)試的過程。6。1。 調(diào)試方法及流程 首先是電路的連接,將電極

38、的一端插在肌電信號采集電路板的輸入端，引出電路板上的電源線接在直流電壓上，然后將電路板的輸出信號接在數(shù)據(jù)采集卡上，肌電信號傳輸給另一個(gè)同學(xué)制作的LalView框圖上顯示出來。首先是對電極信號的檢測，用示波器觀察肌電信號波形，高通、低通、帶阻電路檢測是通過電腦上LalView的幅頻圖來檢測，查看是否高通、低通、帶阻電路是否與設(shè)計(jì)的截止頻率一致.放大倍數(shù)檢測則是顯示出的肌電信號檢測，檢測電壓是否達(dá)到飽和。6。2調(diào)試中遇到的問題以及解決 在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)很多問題.在電極放置皮膚表面的時(shí)候，剛開始肌肉動作時(shí)，電極未產(chǎn)生較大的反應(yīng),后來發(fā)現(xiàn)電極不能緊緊壓于皮膚表面,要適當(dāng)力度地放在皮膚表面。調(diào)試儀用放大的時(shí)

39、候,發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)過大，導(dǎo)致后面的輸出電壓一直呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，所以要減少放大倍數(shù)。在濾波調(diào)試中，由于所用的電阻和電容元器件是插件，存在一定的誤差，所以導(dǎo)致在調(diào)試中使截止頻率發(fā)生一定偏移，后來設(shè)計(jì)電容不變,將電阻換成滑動變阻器，這樣可以靈活調(diào)節(jié)電阻的阻值，從而使截止頻率調(diào)到自己想要的頻率段。電源方面，之前用的IA0505S芯片的功率是1W的，功率不夠，導(dǎo)致輸出沒有達(dá)到額定電壓,從而使運(yùn)放和芯片的供電電壓未達(dá)到額定值。后來在網(wǎng)上買了一個(gè)功率為2W的IA0505S芯片焊上電路板，輸出達(dá)到額定值，從而解決了功率不夠的問題。經(jīng)過濾波的肌電信號整體幅值為負(fù),后來調(diào)節(jié)差動電路的滑動電阻器，將信號調(diào)壓到合適的位

40、置，方面后面數(shù)據(jù)采集卡地采集輸入。6.3數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果分析將電極放在手臂的肌肉上，肌肉進(jìn)行伸縮作用。在電腦上通過LalView顯示出來。將手臂向上抬起,肌電信號波形顯示出來如圖6-1。圖6-1 手臂上抬肌電信號將手臂放下，也會產(chǎn)生肌肉信號,如圖6-2。圖6-2 手臂放下肌電信號當(dāng)拳頭握緊時(shí)，也會產(chǎn)生肌肉信號，相對之前的信號，拳頭握緊的信號幅值更加大，如圖63。圖6-3 拳頭緊握肌電信號肌電信號采樣過來的幅頻響應(yīng)如圖64所示，設(shè)計(jì)中對5Hz進(jìn)行低通濾波，但是現(xiàn)實(shí)中，有直流分量的存在，低頻段效果不是很明顯，50Hz工頻濾波效果十分明顯，在50Hz處幅值有較大的下降趨勢，200Hz高通濾波有明顯的濾

41、波效果,將200Hz之后的頻率信號逐漸濾去.整體波形和設(shè)計(jì)的一樣，后面可以通過工藝來改善一些雜波信號的干擾，從而使肌電信號更加清晰.圖64 幅頻響應(yīng)曲線從采樣出來的肌電信號來看,由于電路板制作的工藝,肌電信號中還是有少量的雜波和直流分量存在,對有效信號產(chǎn)生了一定的干擾，但是整體的肌電信號比較清晰明顯.總結(jié)與展望此次設(shè)計(jì)主要對肌電信號采集電路板的設(shè)計(jì),將肌電信號從皮膚表面上采集到電腦上并通過另一個(gè)同學(xué)做的Lalview進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終顯示在電腦上。由于肌電信號的特征特點(diǎn),很容易受到外界的干擾,所以屏蔽和消除干擾信號對系統(tǒng)的影響是十分必要的。最后采集到的肌電信號，整體肌電信號是明顯清晰的。以后可以利用程序?yàn)V波，可以干擾信號大大減少,從而得到更加清晰、可靠的肌電信號。本次設(shè)計(jì)采集的是健康人的肌電信號，對于殘疾人的肌電信號，可能會有不一樣，要進(jìn)行更加深入的研究。未來這種肌電信號實(shí)時(shí)檢測將會使用DSP，DSP處理信息能力更加快，更加強(qiáng),對以后醫(yī)療發(fā)展具有巨大的作用。參考文獻(xiàn)1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M。北京：高等教育出版社，2006,357-373.2 張國雄.測控電路(第四版）M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014,99-123。3 王健,金小剛。表面肌電信號分析及其應(yīng)用研究M。中國體育科技，2000,2628。4 韓曉新. 表面肌電信號采集電路的設(shè)計(jì)J。計(jì)算機(jī)測量與控