淮陰工學(xué)院前臂表面肌電信號調(diào)理采集電路的設(shè)計與制作

1、班級：電子1122 姓名：吳 學(xué)號：22 課題：前臂表面肌電信號調(diào)理采集電路電子技術(shù)課程設(shè)計報告課題：前臂表面肌電信號調(diào)理采集電路 班級 電子1122 學(xué)號1121205322學(xué)生姓名 吳彬 專業(yè) 電子信息 系別 電子信息工程 指導(dǎo)教師 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)小組 淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2014年5月1、 設(shè)計目的（a）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用的已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。（b）學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計、自行制作和自行調(diào)試。（c）進行基本技術(shù)技能訓(xùn)

2、練，如基本儀器儀表的使用，常見元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設(shè)計資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設(shè)備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。（d）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。2、設(shè)計要求1、表面肌電信號是一種微伏級的微弱信號。頻率范圍為5-500Hz。采集過程包括：拾取、放大、調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)。2、陷波針對50Hz。3、濾波采用高通與低通相結(jié)合。4、ADC須滿足精度與速度要求。3、總體設(shè)計3.1總體框圖前臂肌電信號調(diào)理采集電路總框圖如圖1所示，即經(jīng)過50Hz陷波、5Hz高通濾波、500Hz低通濾波以及絕對值放大電路后送給單片機的A/D，單片機根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進行多運動模式識別。電極：銀氯化銀數(shù)字輸

3、出模數(shù)轉(zhuǎn)換陷波，濾波，放大初步放大 圖1 表面肌電信號調(diào)理采集電路總框圖 3.2 表面肌電信號的初級放大表面肌電(SurfaceEMG ,sEMG)是當(dāng)肌肉興奮收縮時，所有激活的肌纖維動作電位在皮膚表面電極處綜合疊加的結(jié)果。骨骼肌在發(fā)揮功能時，肌纖維就收縮，肌肉的收縮在肌纖維內(nèi)部有一系列的生物化學(xué)變化，同時也有動作電位的變化。如果用一種實時的肌電電極將這種動作電位變化顯示出來，就形成一種波形圖，稱為肌電圖 (Electromyography,EMG)。從信號分析的角度講，也可稱為肌電信號。它是肌肉中許多運動單元動作電位在在時間和空間上的疊加，反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)。肌纖維產(chǎn)生的動作電位，即

4、為肌電信號。其產(chǎn)生機理如下:當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)命令肌肉收縮時，運動神經(jīng)元的細胞體將產(chǎn)生沖動，該沖動通過細胞體的軸突傳遞到肌纖維處，然后與肌纖維融合，使神經(jīng)與肌肉的接點釋放化學(xué)物質(zhì)乙烯膽堿，引起肌膜的去極化，從而產(chǎn)生肌纖維的動作電位，而與每個神經(jīng)元聯(lián)系著的肌纖維不止一條，這些部分合在一起就構(gòu)成了運動單元。動作電位沿著肌纖維分別向各個方向傳播，引起了肌纖維內(nèi)的一系列變化，導(dǎo)致構(gòu)成肌纖維的肌凝蛋白和肌球蛋白相互重疊，從而產(chǎn)生了肌纖維的收縮，這些肌纖維分別屬于不同的運動單元，單個運動單元內(nèi)肌纖維幾乎是同步興奮的，而各個不同的運動單元之間的興奮是相互獨立的。因此，sEMG又可被看成是所有產(chǎn)生的運動單元動作電位串

5、(Motor Unit Action Motion Trains, MUAPT)的綜合疊加。MUAPT就是一系列運動單元動作電位，它是sEMG的基礎(chǔ)。當(dāng)脊髓中樞發(fā)出收縮指令時，會有一系列興奮信號，即神經(jīng)脈沖序列沿著運動神經(jīng)元軸突傳導(dǎo)至神經(jīng)肌肉接頭處，這樣就誘導(dǎo)出一個運動單元動作電位序列。不同的收縮力，對應(yīng)的產(chǎn)生運動 單位數(shù)目不同，所有被募集的運動單位的MUAPT疊加后形成表面肌電信號1。 由此看來，生理電信號在肌肉纖維中的傳播導(dǎo)致了肌肉的收縮，同時傳播中的電 信號在人體軟組織中引起電流場，并在檢測電極間表現(xiàn)出電位差，當(dāng)檢測點位于皮膚表面處，檢測電極是表面電極時，此時檢測的信號即為表面肌電信號。

6、考慮到表面肌電信號時一種微伏級的微弱信號，為了提高信號的信噪比，電極拾取的信號須經(jīng)過初級放大。由于表面肌電信號傳感器空間十分有限，所以初級放大電路要求盡量簡單。初級放大電路采用差分式設(shè)計，電路如圖2所示。圖2 表面肌電信號的初級放大電路3.3表面肌電信號的調(diào)理電路由于表面肌電信號微弱，容易受到前臂自身、信號采集系統(tǒng)、肢體所處的外界環(huán)境等諸多因素的干擾。設(shè)計信號調(diào)理電路對采集的表面肌電信號進行工頻去噪、高通濾波以及低通濾波等處理，以獲得較干凈的表面肌電信號，為后期的肢體運動模式做好準(zhǔn)備。由于不同人或相同人不同時間下的肌肉表面采集的信號會有幅值的不穩(wěn)定性，為后期的動作識別帶來一定的系統(tǒng)誤差，因此為

7、盡量消除幅值的差異性，絕對值電路設(shè)為增益可調(diào)的放大電路，將采集的表面肌電信號調(diào)整到特定的閾值區(qū)間內(nèi)進行運動模式識別。其硬件電路件圖3。圖3 表面肌電信號的調(diào)理電路4、單元電路設(shè)計4.1 初級放大電路的分析該電路由三部份組成，拾取簡單濾波電路、并聯(lián)型雙運放構(gòu)成的前級放大器、阻容耦合電路。初級放大電路采用差分式設(shè)計，電路如圖2所示。在拾取簡單電路中，節(jié)點MIDGND為+2.5v；R2，R4，C2組成一個簡易的低通濾波器；C3，R5，R6，C4則是一個高通濾波器。高倍放大前的低通濾波可濾除部分噪聲，高通濾波則可濾除直流信號，以防在高倍放大時使運放達到飽和狀態(tài)。并聯(lián)型雙運放的優(yōu)點是不需要精密匹配的電阻

8、，理論上他的共模抑制比為無窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無關(guān)。但是并聯(lián)型雙運放的輸出為雙端差動輸出信號，如果僅用單端輸出信號時將不再具有這一優(yōu)點。共模取樣驅(qū)動電路由兩個等值電阻和一只由運算放大器組成的跟隨器構(gòu)成。從而使得共模信號不經(jīng)過阻容耦合電路而直接加在放大器的輸出端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。 此單元電路用到的運放為TL084，如圖4。TL084是一款高輸入電阻的四運放，精度不高。管腳信息如下圖，1、2、3腳是通道1的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，5、6、7腳是通道2的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，8、9、10腳是通道3的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，

9、12、13、14腳是通道4的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4腳是正電源，11腳是負(fù)電源（或單電源使用時的電源地）。圖4 TL084管腳圖42 表面肌電信號調(diào)理電路的分析由于肌電信號非常微弱，在拾取、調(diào)理、采集過程中，不可避免地會引入許多干 擾，常會使有用的肌電信號淹沒在干擾噪聲中。因此正確區(qū)分及排除干擾是生物信號采集過程中的重要任務(wù)?？梢哉f，能否有效的抑制干擾是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。通過分析干擾來源及其特性可為后續(xù)調(diào)理電路設(shè)計提供依據(jù)。 （1）50Hz工頻干擾，該干擾來源于市電電源，主要是通過電源線、電源變壓器、開關(guān)、插座等與電源相連的器件輻射出來。到達生物組織及放大器的方式主要是靠分布電容，

10、因此，愈是靠近電源，干擾愈明顯。另外，磁輻射也起部分作用。50Hz工頻干擾通常是實驗中最常出現(xiàn)、幅度最大的干擾。 （2）高頻干擾來源于電臺、無線通訊設(shè)施、其他儀器等。這些信號的頻率遠在生物電信號的頻段之外，通常不直接引起干擾。但是當(dāng)出現(xiàn)電極接觸不良或高頻信號過強時，可因“檢波”及高頻“削波干擾”產(chǎn)生低頻信號，進而形成干擾。 （3）其他生物電信號信號與干擾是相對的，當(dāng)采集心電信號時肌電信號被視為干擾。當(dāng)采集肌電信號是心電信號也視為干擾。因此，目的信號以外的其他生物電信號均可視為干擾，都應(yīng)設(shè)法區(qū)分和排除。（4）背景噪聲主要來源于放大器電子元件本身產(chǎn)生雜亂無章的電壓和電流等噪聲，一般與放大器內(nèi)部元件

11、的質(zhì)量和性能有關(guān)。在輸入回路中，也會引人噪聲。其大小與電極電位、接觸電阻有關(guān)。 （5）刺激偽跡的實質(zhì)是放大器直接記錄到的電刺激信號，它是以電的方式傳到記錄端的，是一個純粹物理的過程。刺激信號傳到輸入端的途徑主要有兩方面;一是通過組織容積導(dǎo)體，二是通過分布電容。適當(dāng)大小的刺激偽跡可以作為刺激的標(biāo)記，有助于圖形的分析。但刺激偽跡過大會干擾隨后出現(xiàn)的生物電信號。采用隔離輸出、縮小刺激電極間距、加大刺激電極與記錄電極的距離、在刺激與記錄電極之間接地、減小刺激 波寬等措施有助于減小刺激偽跡。 表面肌電信號的調(diào)理電路由四部分組成，即50Hz陷波電路、5Hz高通濾波、500Hz低通濾波、絕對值放大、A/D模

12、數(shù)轉(zhuǎn)化。陷波器也稱帶阻濾波器（窄帶阻濾波器），它能在保證其他頻率的信號不損失的情況下，有效的抑制輸入信號中某一頻率信息。在日常生活中常會存在50Hz的工頻干擾，因此50Hz陷波器在日常生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用。陷波電路，即電感電容串聯(lián)諧振電路。工作原理即串聯(lián)諧振的特征是對諧振的頻率信號阻抗為0，對其它頻率信號阻抗為； 把串聯(lián)諧振電路接在信號通道與地之間，并諧振于干擾信號頻率，這樣，干擾信號就被諧振電路短路入地，對其它頻率信號無影響。此單元電路用到的運放為TL082、TL084，其中TL082電路如圖5所示。TL082是一通用的J-FET雙運算放大器。其特點有：較低的輸入偏置電壓和偏移電流，輸出沒有

13、短路保護，輸入級具有較高的輸入阻抗，內(nèi)建頻率補償電路，較高的壓擺率。最大工作電壓為18V。 圖5 TL082管腳圖 濾波電路采用低通與高通電路相結(jié)合，二階低通濾波電路圖如圖6所示 圖6 二階有源低通濾波電路傳遞函數(shù) （同相比例）對于濾波電路，有 得濾波電路傳遞函數(shù) （二階） 將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。二階高通濾波電路如圖7。圖7 二階有緣高通濾波電路傳遞函數(shù) 此外，不同人或相同人不同時間下的肌肉表面采集的信號會有副值得不穩(wěn)定性，為后期的動作識別帶來一定的系統(tǒng)誤差，因此為盡量消除幅值的差異性，絕對值電路設(shè)為增益可調(diào)的放大電路，將采集的表面肌電信號調(diào)整到特定的特定的閾值區(qū)間內(nèi)進

14、行運動模式識別。其硬件電路件圖8。圖8 絕對值電路4.4材料清單一、電阻（單位：歐姆 精度：1% 只/臺）51k 2個， 39k 1個， 20k 4個， 68k 2個30k 1個， 82k 1個， 510 1個， 2.2M 3個10k 7個， 600k 2個， 2k 3個， 1k 2個滑動變阻器10k 1個， 滑動變阻器100k 1個二、元器件電解電容0.047uf 4個， 2.2uf 1個 0.47uf鉭電容 1個， 0.1uf 2個0.33uf 2個，TL082 1個， TL084 2個5、調(diào)試 首先運用電工知識對所要用的元器件逐個檢查，以確保焊接的元器件都是管用的，在焊接過程中，可把接地

15、和接電源的接線用適當(dāng)?shù)慕饘俳z直接連接在焊接的兩條邊緣的銅線上，這樣既節(jié)省了導(dǎo)線，而且易于后期的調(diào)試和檢查。裝置焊接完成之后，可以先根據(jù)實物連接圖，將裝置中的各個元件和它們相互的連接關(guān)系檢察一遍，從而排除一些，漏焊或者因為不慎而導(dǎo)致的各種明顯的錯誤。如果發(fā)現(xiàn)不出什么問題了就開始進入正式的調(diào)試狀態(tài)了。因為在實際操作中，在電路中很多電阻都是通過串并聯(lián)得到的，所以運用了不少電阻，故器材中電阻好壞的測試需要花費很大精力。另外集成運放有個引腳，也需仔細測試。 6、電路測試及測試結(jié)果電路測試時將電源線有效連接，尤其要注意+5V與地端的有效連接，由信號發(fā)生器給出一個模擬信號，頻率為100Hz之間，偏置電壓為0

16、.01v，將輸出端接入示波器，觀察視圖。分單元電路測試時，將電路中的初級放大電路的運放芯片的11與4管腳分別接進示波器，有波形輸出，且波形頻率為100Hz下輸出電壓210mv，則初級放大電路在誤差允許的情況下實驗成功。同樣在測試陷波、濾波以及最后的絕對值放大電路中均發(fā)現(xiàn)有波形輸出，可隨著元器件數(shù)量的增加，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)誤差越來越大，經(jīng)分析原因應(yīng)該是拾取電路的設(shè)計不夠精密導(dǎo)致拾取的電壓信號不夠干凈，也可能是后來的絕對值放大電路可調(diào)電阻值得問題。最后在調(diào)試試驗電路板時，將整塊電路接入，通過電阻箱給電路板加上+5V與地線的連接，通過信號發(fā)生器給出頻率為100Hz之間，偏置電壓為0.01v的正弦信號，經(jīng)示

17、波器的有效連接，有規(guī)律的正弦波形輸出，但經(jīng)計算實驗中運放的誤差符合正常，實驗成功。7、設(shè)計總結(jié) 在初次的電路板焊接中，由于未能提前分布好電子器件，致使器件排布較為零亂，而且電路的連接過程中有明顯的短路現(xiàn)象，這為此次課題設(shè)計帶來較大的不便，也嚴(yán)重影響了測試的成功性。所以在下次的電路焊接中一定要事先畫好電路的分布。另外，對于此次的課題設(shè)計又額外總結(jié)了一下四點： 第一，這個設(shè)計實際上有明顯的不足之處，在初級放大電路的設(shè)計中，首次拾取微弱的電壓時有很大的困難，因為會存在部分噪聲和直流電壓的影響的干擾，所以可以設(shè)計簡單的低高通濾波器，這樣高倍放大前的低通濾波可濾除部分噪聲，高倍濾波則可濾除直流信號以防止在高倍放大前使運放達到飽和狀態(tài)。第二，本次設(shè)計在初級放大階段較好的選取差分式設(shè)計，這充分考慮到了初級信號的微弱性以及表面肌電信號傳感器的有限性，有效提高了信號的信噪比。第三