肌電放大電路設(shè)計報告范文

肌電放大電路設(shè)計報告肌電放大電路（電池供電）設(shè)計報告天津大學(xué)精儀學(xué)院04級生物醫(yī)學(xué)工程一班-王昊博一、設(shè)計目的及意義肌電是人體肌肉、神經(jīng)興奮產(chǎn)生生物電的結(jié)果。利用肌電信號能夠達(dá)到很多目標(biāo)，例如利用肌電控制假肢、肌電刺激治療肌肉萎縮、在體育活動中診斷肌肉力量和肌肉疲勞等等。表面肌電則是從人體皮膚表面經(jīng)過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉的生物電信號,具有無創(chuàng)性,操作簡單的優(yōu)點,有著廣泛的應(yīng)用前景。二、系統(tǒng)設(shè)計肌電信號特征：幅值小，15～100μV；信號頻譜寬10～1000Hz；脈沖時間0.6～20ms。存在的干擾：表面電極極化電壓（幾十個mV）,50Hz工頻干擾，器件本身的噪聲。帶通：5～500Hz設(shè)計中考慮的問題：1、肌電信號幅值居中，前置級增益300，主放增益4。能夠把20μV~100μV的信號放大到能夠觀察的量級。2、雖然整個系統(tǒng)由電池供電，但因為產(chǎn)品主要在室內(nèi)使用，而且調(diào)試時需要用到信號源作輸入，因此依然要采取措施防止50Hz電場干擾。3、放大器前置級應(yīng)低噪聲、低漂移。放大器的噪聲決定了放大器能檢測到的微弱信號的下限。肌電幅值下限為20μV，因此在電極短路時的噪聲幅度應(yīng)在10μV以下。最好能達(dá)到5μV。4、為消除極化電壓，電極阻抗緩慢變化及測量時電極移動造成的偽跡，前置級應(yīng)設(shè)有隔直電路（高通網(wǎng)絡(luò)），消除低頻干擾。5、電路的共模抑制比應(yīng)盡可能高，一般要求80dB以上，最好能達(dá)到100dB。6、采用共模驅(qū)動電路避免由參數(shù)不匹配帶來的共模干擾變成差模干擾從而和肌電信號相混雜的問題，同時能夠提高共模輸入阻抗（右腿驅(qū)動電路）7、為避免信號失真，在通頻帶內(nèi)增益應(yīng)保持一致，即幅值平滑。采用表面電極時，肌電信號能量集中在500Hz以下，本設(shè)計采用三階巴特沃思濾波器。8、肌電作為信號源內(nèi)阻很大，常常達(dá)到1000KΩ以上，因此放大器的輸入阻抗必須在幾MΩ以上。9、電阻噪聲主要有熱噪聲和低頻噪聲（噪聲），噪聲的轉(zhuǎn)折頻率為1.8Hz，作為帶寬要求5Hz～500Hz，噪聲能夠排除在外。為減小熱噪聲，電阻值也應(yīng)盡可能小，設(shè)計中前級放大輸入端也不允許串連任何額外電阻。10、采用電池供電，因此必須選用低功耗或微功耗的器件，電阻在允許范圍內(nèi)選擇阻值盡可能大的，降低整體功耗。根據(jù)以上分析系統(tǒng)設(shè)計如下：總放大倍數(shù)1200通帶：5Hz～500Hz噪聲10μV以下共模抑制比80dB以上系統(tǒng)框圖：三、單元電路設(shè)計1、前置放大器部分前置放大器分為四部分：并聯(lián)差動放大器構(gòu)成前級放大器，儀用放大器構(gòu)成后級放大器、阻容耦合電路，右腿驅(qū)動電路。1、并聯(lián)差動放大器在理想情況下的共模抑制比為無窮大，理想情況是指A1/A2的共模抑制比相匹配，一般來說電阻的精度和阻值對這一部分的共模抑制比影響不大，但輸入阻抗因為前級放大器為反相而不會特別大。2、儀用放大器由高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲的器件AD620構(gòu)成，因為阻容耦合電路的隔直作用，能夠得到高增益。3、阻容耦合電路（時間常數(shù)電路）位于并聯(lián)差動放大器和儀用放大器之間，作為一個高通網(wǎng)絡(luò)去掉了極化電壓。截止頻率f0=1/2πRC＝5Hz。同時R6/R7作儀用放大器的輸入直流通道，為儀用放大器提供偏置電流，使電路能正常工作。4、右腿驅(qū)動電路使用共模驅(qū)動技術(shù)，把信號地和信號相關(guān)聯(lián)，去掉了共模電壓。參數(shù)和元件的選擇：1、A1～A4選用LM324，增益為20倍。它能夠工作在5V電源時。功耗為mW級，符合低功耗的要求。2、A5選用低噪聲儀器放大器AD620作為前置放大器核心元件抑制放大器本身的噪聲，增益為15倍，帶寬大于500Hz。3、前置級增益為20×15＝300倍，帶有右腿驅(qū)動電路和高通網(wǎng)絡(luò)。截止頻率f0=5Hz。共模抑制比110dB以上帶寬12KHz(1000V/V)輸入噪聲電壓9nV（10KHz）輸入噪聲電流72nV（10KHz）電源電壓2.3～18V（雙電源）功耗650mW2、低通濾波器部分方案一：如圖，采用巴特沃思三階低通濾波器，截止頻率500Hz。利用歸一化計算參數(shù)為R1=R2=16K,C1=0.02μF,C2=0.04μF,C3=0.01μF。兩個濾波器采用低功耗運(yùn)算放大器LM324，具有價格低廉，電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，當(dāng)電源電壓為5V時，功耗約為15mW。3、50Hz陷波器部分50Hz陷波器采用正反饋的有源雙T帶阻濾波器，該電路的Q值隨著反饋系數(shù)β的增高而增大。Q與β的關(guān)系式如下：Q＝ Q值選擇在12.5～15之間,經(jīng)過10K的電位器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。電路中R和C滿足以下關(guān)系：R=,C取0.1μF,計算得R=31.8KΩ。：4、主放大器部分采用放大4倍的反相放大器，前面用一個0.1μF的電容起到低通隔直濾波作用，截止頻率f0=1/2πRC＝1.9Hz。四、小結(jié)本設(shè)計運(yùn)用模電數(shù)電基本原理設(shè)計了一種可用于肌電信號測量的電路，設(shè)計由四部分構(gòu)成：1、前置放大器2、低通濾波器3、50Hz陷波器4、主放大部分。經(jīng)過電極從人體采集肌電信號，經(jīng)過電路放大后顯示在示波器上。上述設(shè)計只是肌電放大器的基本構(gòu)造，還存在許多不完善的地方，真正的肌電放大器還有增益選擇檔，能夠調(diào)節(jié)。用示波器觀察輸出也不如采用單片機(jī)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再處理來得準(zhǔn)確可靠，這些能夠在下一步的學(xué)習(xí)中繼續(xù)完善。關(guān)于后級的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理部分，其核心器件可選擇ADI公司的Σ一A型AD7708芯片。它是ADI公司的一種多信道16位ADC，支持4或5信道全差分輸入以及8或10信道偽差分輸入。主要由1個輸入多路復(fù)用器、