圖4? VCVS二階低通濾波環(huán)節(jié)2

濾波器的總體設(shè)計(jì)
表面肌電信號(hào)一般只有微伏級(jí)電壓,信號(hào)中往往夾帶著低頻(接近直流)和高頻的干擾信號(hào),真正有用的肌電信號(hào)大致在10Hz~500Hz之間。除此之外,50Hz的工頻信號(hào)也是一個(gè)重要的干擾源,如果不去除可能會(huì)掩蓋表面肌電信號(hào)。根據(jù)這些特殊要求,專用濾波器必須具有隔直、放大、濾波功能,并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。
隔直和放大電路
從表面電極檢測(cè)出的信號(hào)首先需進(jìn)行隔直處理,然后才能進(jìn)行放大。隔直和放大部分電路如圖1所示。
其中隔直部分為一階高通濾波器,其截止頻率為：
?(1)信號(hào)放大可分多級(jí)放大,但第一級(jí)必須有較大的放大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)中選用了低功耗、高精度、低噪聲放大器AD620。其增益計(jì)算公式為：

(2)其中RG為管腳1和管腳8之間的電阻,G為增益值。由于表面肌電信號(hào)是微弱信號(hào),為了避免其它信號(hào)的干擾,增益值要足夠大;但另一方面,增益值如果太大,可能在第一級(jí)就出現(xiàn)飽和,因此RG的值要選擇適當(dāng),以獲得適當(dāng)?shù)脑鲆妗＝?jīng)試驗(yàn),本設(shè)計(jì)中令RG=200? ,根據(jù)公式(2)計(jì)算得到G=248。
為了進(jìn)一步提高共模抑制比,本設(shè)計(jì)中還采用了共模反饋消除法。由U2A、C3、R3、R4、R5、R6構(gòu)成共模反饋電路,人體輸入的共模電壓被兩個(gè)阻值相等的電阻R5、R6檢測(cè)出來(lái),經(jīng)過(guò)U2A將其倒相并反饋到人體上,使其共模電壓降低乃至抵消,從而減小了共模電壓的拾取。
此外,本設(shè)計(jì)的放大部分還采用了兩個(gè)反比例運(yùn)算電路,如果想更改放大倍數(shù)只需改變輸入端電阻和反饋電阻的阻值即可。

陷波電路
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1~3個(gè)量級(jí),因此必須除去。本設(shè)計(jì)中采用陷波器來(lái)濾除50Hz工頻信號(hào)。陷波器電路如圖2所示。
陷波器的中心頻率為：
?????????????????????????????? (3)
陷波器參數(shù)的確定一方面通過(guò)計(jì)算,另一方面還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其濾波效果。本設(shè)計(jì)中R13取10k?,C9取0.33?F,根據(jù)公式(3)算得f為48Hz,實(shí)際測(cè)得陷波器的中心頻率為49Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。
陷波器的品質(zhì)因素(Q),決定濾波器的選擇性,高Q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶而低Q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。本設(shè)計(jì)中由于只要求衰減50Hz信號(hào),其它頻率盡量保留,因此需要提高Q值。圖2中放大器U3A將U2D的部分輸出信號(hào)反饋到網(wǎng)絡(luò)的縱臂,由于是正反饋,具有頻率增強(qiáng)作用,所以可使阻帶變窄,Q值提高。Q值的計(jì)算公式為：
???????????????????????????????? (4)
式中F為電路反饋系數(shù)：
???????????????????????????? (5)
選取R18=56K?,R17=5.1K?,根據(jù)公式(4)、(5)可得F=0.92,Q=3.125。這種陷波器電路能有效地濾除50Hz工頻產(chǎn)生的干擾,而且Q值的提高保證了有用信號(hào)不被衰減。

低通濾波電路
從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看,除了要抑制50Hz工頻信號(hào)外,還應(yīng)限制高頻信號(hào),這就要使用低通濾波器。最常用的全極點(diǎn)濾波器有巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。就靠近ω=0處的幅頻特性而言,巴特沃斯濾波器比切比雪夫?yàn)V波器平直,即在頻率的低端巴特沃斯濾波器幅頻特性更接近理想情況。但在接近截止頻率和在阻帶內(nèi),巴特沃斯濾波器則較切比雪夫?yàn)V波器差得多。本設(shè)計(jì)中要保證低頻信號(hào)不被衰減,而對(duì)高頻要求不高,因此選擇了巴特沃斯濾波器。同時(shí)考慮到本設(shè)計(jì)需要正反饋,所以選用了能產(chǎn)生正相增益的壓控電壓源濾波器(VCVS)。
本設(shè)計(jì)中選擇了兩組不同參數(shù)的元器件,來(lái)構(gòu)成兩個(gè)低通濾波電路。這樣濾波效果要比兩個(gè)參數(shù)相同的濾波電路的效果要好。各實(shí)用元件值如圖3、4所示。
此外,為了保證輸入高阻抗,輸出低阻抗,以及濾波的穩(wěn)定性,可以在電路中加入跟隨器。同時(shí)電路中還應(yīng)加入反比例運(yùn)算電路以提高放大倍數(shù)。至此,濾波器設(shè)計(jì)基本完成。
濾波器的調(diào)試
在對(duì)本濾波器的調(diào)試時(shí)輸入了峰值電壓為20mV的正弦信號(hào),為保證輸出的信號(hào)不飽和,將放大倍數(shù)定為300倍,并在示波器上觀察輸出波形。
從實(shí)際波形看出該濾波器的50Hz信號(hào)得到較大的衰減,并且阻帶較窄,從而使臨近頻率的信號(hào)得到保留。同時(shí)高頻信號(hào)也被衰減,而500Hz以下的信號(hào)則衰減較少。從而滿足了本設(shè)計(jì)的要求。

本濾波器和VISHEEG
16-24AMP濾波器的比較
VISHEEG16-24AMP是一種醫(yī)用心電信號(hào)放大器,性能穩(wěn)定,抗干擾性強(qiáng)。但通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),VISHEEG16-24AMP濾波器的選頻范圍 較窄,信號(hào)在40Hz以上的都被衰減,而表面肌電信號(hào)的有效信號(hào)范圍在10Hz~500Hz。如果使用VISHEEG16-24AMP濾波器進(jìn)行表面肌電信號(hào)的拾取,必然會(huì)損失大量有效信號(hào),因此VISHEEG16-24AMP濾波器并不適合用于表面肌電信號(hào)的拾取,必須使用本文設(shè)計(jì)的專用表面肌電信號(hào)濾波器。VISHEEG16-24AMP濾器與表面肌電信號(hào)專用濾波器性能比較如表1所示。

結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)表面肌電信號(hào)的特性設(shè)計(jì)了專用的濾波器,基本能滿足表面肌電信號(hào)拾取的需要。此濾波器在工頻信號(hào)的處理上性能十分理想,但在高頻段信號(hào)的處理上還可以通過(guò)提高低通濾波器的階數(shù)加以改進(jìn)。專用濾波器的設(shè)計(jì)還只是表面肌電信號(hào)研究的第一步,接下來(lái)要進(jìn)行信號(hào)分析和特征提取。本文介紹的表面肌電信號(hào)專用有源濾波器設(shè)計(jì)為下一步信號(hào)處理打下了良好的基礎(chǔ)。■

參考文獻(xiàn)
1 楊福生,高上凱編. 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理. 高等教育出版社. 1989
2 趙新明.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002
3 Baert Letal. Chronic bacterial prostatitis treated with intraprostatic injection of antibiotics.Scand? J Urol Nephrol,1996,30：199~202
4 D.E.約翰遜等著. 有源濾波器精確設(shè)計(jì)手冊(cè).電子工業(yè)出版社.? 1985