淮阴工学院前臂表面肌电信号调理采集电路的设计与制作.doc

班级：电子1122 姓名：吴 学号：22 课题：前臂表面肌电信号调理采集电路电子技术课程设计报告课题：前臂表面肌电信号调理采集电路 班级 电子1122 学号1121205322学生姓名 吴彬 专业 电子信息 系别 电子信息工程 指导教师 电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院电子与电气工程学院2014年5月1、 设计目的（a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用的已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。（b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。（c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常见元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。（d）培养学生的创新能力。2、设计要求1、表面肌电信号是一种微伏级的微弱信号。频率范围为5-500Hz。采集过程包括：拾取、放大、调理、模数转换等环节。2、陷波针对50Hz。3、滤波采用高通与低通相结合。4、ADC须满足精度与速度要求。3、总体设计3.1总体框图前臂肌电信号调理采集电路总框图如图1所示，即经过50Hz陷波、5Hz高通滤波、500Hz低通滤波以及绝对值放大电路后送给单片机的A/D，单片机根据采样数据进行多运动模式识别。电极：银氯化银数字输出模数转换陷波，滤波，放大初步放大 图1 表面肌电信号调理采集电路总框图 3.2 表面肌电信号的初级放大表面肌电(SurfaceEMG ,sEMG)是当肌肉兴奋收缩时，所有激活的肌纤维动作电位在皮肤表面电极处综合叠加的结果。骨骼肌在发挥功能时，肌纤维就收缩，肌肉的收缩在肌纤维内部有一系列的生物化学变化，同时也有动作电位的变化。如果用一种实时的肌电电极将这种动作电位变化显示出来，就形成一种波形图，称为肌电图 (Electromyography,EMG)。从信号分析的角度讲，也可称为肌电信号。它是肌肉中许多运动单元动作电位在在时间和空间上的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态。肌纤维产生的动作电位，即为肌电信号。其产生机理如下:当神经系统命令肌肉收缩时，运动神经元的细胞体将产生冲动，该冲动通过细胞体的轴突传递到肌纤维处，然后与肌纤维融合，使神经与肌肉的接点释放化学物质乙烯胆碱，引起肌膜的去极化，从而产生肌纤维的动作电位，而与每个神经元联系着的肌纤维不止一条，这些部分合在一起就构成了运动单元。动作电位沿着肌纤维分别向各个方向传播，引起了肌纤维内的一系列变化，导致构成肌纤维的肌凝蛋白和肌球蛋白相互重叠，从而产生了肌纤维的收缩，这些肌纤维分别属于不同的运动单元，单个运动单元内肌纤维几乎是同步兴奋的，而各个不同的运动单元之间的兴奋是相互独立的。因此，sEMG又可被看成是所有产生的运动单元动作电位串(Motor Unit Action Motion Trains, MUAPT)的综合叠加。MUAPT就是一系列运动单元动作电位，它是sEMG的基础。当脊髓中枢发出收缩指令时，会有一系列兴奋信号，即神经脉冲序列沿着运动神经元轴突传导至神经肌肉接头处，这样就诱导出一个运动单元动作电位序列。不同的收缩力，对应的产生运动 单位数目不同，所有被募集的运动单位的MUAPT叠加后形成表面肌电信号1。 由此看来，生理电信号在肌肉纤维中的传播导致了肌肉的收缩，同时传播中的电 信号在人体软组织中引起电流场，并在检测电极间表现出电位差，当检测点位于皮肤表面处，检测电极是表面电极时，此时检测的信号即为表面肌电信号。考虑到表面肌电信号时一种微伏级的微弱信号，为了提高信号的信噪比，电极拾取的信号须经过初级放大。由于表面肌电信号传感器空间十分有限，所以初级放大电路要求尽量简单。初级放大电路采用差分式设计，电路如图2所示。图2 表面肌电信号的初级放大电路3.3表面肌电信号的调理电路由于表面肌电信号微弱，容易受到前臂自身、信号采集系统、肢体所处的外界环境等诸多因素的干扰。设计信号调理电路对采集的表面肌电信号进行工频去噪、高通滤波以及低通滤波等处理，以获得较干净的表面肌电信号，为后期的肢体运动模式做好准备。由于不同人或相同人不同时间下的肌肉表面采集的信号会有幅值的不稳定性，为后期的动作识别带来一定的系统误差，因此为尽量消除幅值的差异性，绝对值电路设为增益可调的放大电路，将采集的表面肌电信号调整到特定的阈值区间内进行运动模式识别。其硬件电路件图3。图3 表面肌电信号的调理电路4、单元电路设计4.1 初级放大电路的分析该电路由三部份组成，拾取简单滤波电路、并联型双运放构成的前级放大器、阻容耦合电路。初级放大电路采用差分式设计，电路如图2所示。在拾取简单电路中，节点MIDGND为+2.5v；R2，R4，C2组成一个简易的低通滤波器；C3，R5，R6，C4则是一个高通滤波器。高倍放大前的低通滤波可滤除部分噪声，高通滤波则可滤除直流信号，以防在高倍放大时使运放达到饱和状态。并联型双运放的优点是不需要精密匹配的电阻，理论上他的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。但是并联型双运放的输出为双端差动输出信号，如果仅用单端输出信号时将不再具有这一优点。共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运算放大器组成的跟随器构成。从而使得共模信号不经过阻容耦合电路而直接加在放大器的输出端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。 此单元电路用到的运放为TL084，如图4。TL084是一款高输入电阻的四运放，精度不高。管脚信息如下图，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，8、9、10脚是通道3的输出端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。图4 TL084管脚图42 表面肌电信号调理电路的分析由于肌电信号非常微弱，在拾取、调理、采集过程中，不可避免地会引入许多干 扰，常会使有用的肌电信号淹没在干扰噪声中。因此正确区分及排除干扰是生物信号采集过程中的重要任务。可以说，能否有效的抑制干扰是整个系统成败的关键。通过分析干扰来源及其特性可为后续调理电路设计提供依据。 （1）50Hz工频干扰，该干扰来源于市电电源，主要是通过电源线、电源变压器、开关、插座等与电源相连的器件辐射出来。到达生物组织及放大器的方式主要是靠分布电容，因此，愈是靠近电源，干扰愈明显。另外，磁辐射也起部分作用。50Hz工频干扰通常是实验中最常出现、幅度最大的干扰。 （2）高频干扰来源于电台、无线通讯设施、其他仪器等。这些信号的频率远在生物电信号的频段之外，通常不直接引起干扰。但是当出现电极接触不良或高频信号过强时，可因“检波”及高频“削波干扰”产生低频信号，进而形成干扰。 （3）其他生物电信号信号与干扰是相对的，当采集心电信号时肌电信号被视为干扰。当采集肌电信号是心电信号也视为干扰。因此，目的信号以外的其他生物电信号均可视为干扰，都应设法区分和排除。（4）背景噪声主要来源于放大器电子元件本身产生杂乱无章的电压和电流等噪声，一般与放大器内部元件的质量和性能有关。在输入回路中，也会引人噪声。其大小与电极电位、接触电阻有关。 （5）刺激伪迹的实质是放大器直接记录到的电刺激信号，它是以电的方式传到记录端的，是一个纯粹物理的过程。刺激信号传到输入端的途径主要有两方面;一是通过组织容积导体，二是通过分布电容。适当大小的刺激伪迹可以作为刺激的标记，有助于图形的分析。但刺激伪迹过大会干扰随后出现的生物电信号。采用隔离输出、缩小刺激电极间距、加大刺激电极与记录电极的距离、在刺激与记录电极之间接地、减小刺激 波宽等措施有助于减小刺激伪迹。 表面肌电信号的调理电路由四部分组成，即50Hz陷波电路、5Hz高通滤波、500Hz低通滤波、绝对值放大、A/D模数转化。陷波器也称带阻滤波器（窄带阻滤波器），它能在保证其他频率的信号不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。在日常生活中常会存在50Hz的工频干扰，因此50Hz陷波器在日常生产生活中被广泛应用。陷波电路，即电感电容串联谐振电路。工作原理即串联谐振的特征是对谐振的频率信号阻抗为0，对其它频率信号阻抗为； 把串联谐振电路接在信号通道与地之间，并谐振于干扰信号频率，这样，干扰信号就被谐振电路短路入地，对其它频率信号无影响。此单元电路用到的运放为TL082、TL084，其中TL082电路如图5所示。TL082是一通用的J-FET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置电压和偏移电流，输出没有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路，较高的压摆率。最大工作电压为18V。 图5 TL082管脚图 滤波电路采用低通与高通电路相结合，二阶低通滤波电路图如图6所示 图6 二阶有源低通滤波电路传递函数 （同相比例）对于滤波电路，有 得滤波电路传递函数 （二阶） 将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。二阶高通滤波电路如图7。图7 二阶有缘高通滤波电路传递函数 此外，不同人或相同人不同时间下的肌肉表面采集的信号会有副值得不稳定性，为后期的动作识别带来一定的系统误差，因此为尽量消除幅值的差异性，绝对值电路设为增益可调的放大电路，将采集的表面肌电信号调整到特定的特定的阈值区间内进行运动模式识别。其硬件电路件图8。图8 绝对值电路4.4材料清单一、电阻（单位：欧姆 精度：1% 只/台）51k 2个， 39k 1个， 20k 4个， 68k 2个30k 1个， 82k 1个， 510 1个， 2.2M 3个10k 7个， 600k 2个， 2k 3个， 1k 2个滑动变阻器10k 1个， 滑动变阻器100k 1个二、元器件电解电容0.047uf 4个， 2.2uf 1个 0.47uf钽电容 1个， 0.1uf 2个0.33uf 2个，TL082 1个， TL084 2个5、调试 首先运用电工知识对所要用的元器件逐个检查，以确保焊接的元器件都是管用的，在焊接过程中，可把接地和接电源的接线用适当的金属丝直接连接在焊接的两条边缘的铜线上，这样既节省了导线，而且易于后期的调试和检查。装置焊接完成之后，可以先根据实物连接图，将装置中的各个元件和它们相互的连接关系检察一遍，从而排除一些，漏焊或者因为不慎而导致的各种明显的错误。如果发现不出什么问题了就开始进入正式的调试状态了。因为在实际操作中，在电路中很多电阻都是通过串并联得到的，所以运用了不少电阻，故器材中电阻好坏的测试需要花费很大精力。另外集成运放有个引脚，也需仔细测试。 6、电路测试及测试结果电路测试时将电源线有效连接，尤其要注意+5V与地端的有效连接，由信号发生器给出一个模拟信号，频率为100Hz之间，偏置电压为0.01v，将输出端接入示波器，观察视图。分单元电路测试时，将电路中的初级放大电路的运放芯片的11与4管脚分别接进示波器，有波形输出，且波形频率为100Hz下输出电压210mv，则初级放大电路在误差允许的情况下实验成功。同样在测试陷波、滤波以及最后的绝对值放大电路中均发现有波形输出，可随着元器件数量的增加，调试时发现误差越来越大，经分析原因应该是拾取电路的设计不够精密导致拾取的电压信号不够干净，也可能是后来的绝对值放大电路可调电阻值得问题。最后在调试试验电路板时，将整块电路接入，通过电阻箱给电路板加上+5V与地线的连接，通过信号发生器给出频率为100Hz之间，偏置电压为0.01v的正弦信号，经示波器的有效连接，有规律的正弦波形输出，但经计算实验中运放的误差符合正常，实验成功。7、设计总结 在初次的电路板焊接中，由于未能提前分布好电子器件，致使器件排布较为零乱，而且电路的连接过程中有明显的短路现象，这为此次课题设计带来较大的不便，也严重影响了测试的成功性。所以在下次的电路焊接中一定要事先画好电路的分布。另外，对于此次的课题设计又额外总结了一下四点： 第一，这个设计实际上有明显的不足之处，在初级放大电路的设计中，首次拾取微弱的电压时有很大的困难，因为会存在部分噪声和直流电压的影响的干扰，所以可以设计简单的低高通滤波器，这样高倍放大前的低通滤波可滤除部分噪声，高倍滤波则可滤除直流信号以防止在高倍放大前使运放达到饱和状态。第二，本次设计在初级放大阶段较好的选取差分式设计，这充分考虑到了初级信号的微弱性以及表面肌电信号传感器的有限性，有效提高了信号的信噪比。第三