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sEMG信號(hào)數(shù)字傳感器的電極和放大電路和濾波電路及A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

Wildesbeast ? 來(lái)源:未知 ? 2019-09-14 14:51 ? 次閱讀

1.引言

表面肌電(suRFace electromyography, sEMG)信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性和非隨意性活動(dòng)時(shí)的生物電變化經(jīng)表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時(shí)間序列信號(hào),其振幅約為0-5000μV,頻率0-1000Hz,信號(hào)形態(tài)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的針式肌電圖相比,sEMG的空間分辨率相對(duì)較低,但是探測(cè)空間較大,重復(fù)性較好,對(duì)于體育科學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究等具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義。

人體是一導(dǎo)電體,工頻干擾及體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲,干擾sEMG的檢測(cè),所以信號(hào)的濾波和電路的屏蔽成為表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。分為幾個(gè)部分:電極、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換。

2.電極的設(shè)計(jì)

本文電極極片的基體用銅制作,表面鍍銀,其形式采用常用的雙極型,并在兩個(gè)電極中間插入了一個(gè)參考電極,也稱作無(wú)關(guān)電極,以利于降低噪聲,提高對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。為了消除來(lái)自電源線的噪聲,采用差動(dòng)放大的方法。

肌電信號(hào)由兩個(gè)電極來(lái)檢測(cè),兩個(gè)輸入信號(hào)“相減”,去掉相同的“共模”成份,只放大不同的“差模”成份。任何噪聲如果離檢測(cè)點(diǎn)很遠(yuǎn),在檢測(cè)點(diǎn)上將表現(xiàn)為“共模”信號(hào);而檢測(cè)表面附近的信號(hào)表現(xiàn)為不同,將被放大。因此,相對(duì)較遠(yuǎn)處的電力線噪聲將被消除,而相對(duì)比較近處的肌電信號(hào)將被放大。其準(zhǔn)確性由共模抑制比(CMRR)來(lái)衡量[2]。

肌電信息在人體組織(容積導(dǎo)體)內(nèi)的傳遞,會(huì)隨著距離的增加而很快衰減。因此電極宜貼放在肌電發(fā)放最強(qiáng)的肌腹部,以減少鄰近肌肉的肌電干擾(串音)。采用較小的電極可提高選擇性,但會(huì)增加電極與皮膚間的接觸阻抗。

3放大電路的設(shè)計(jì)

人體肌肉組織是皮表肌電的信號(hào)源,它發(fā)放的肌電經(jīng)過(guò)皮下軟組織的體電阻傳輸至皮膚表面,體電阻約數(shù)百歐姆,但是,表面電極與皮膚之間的接觸阻抗比較高,約幾千歐姆。接觸電阻還受接觸松緊程度、皮膚清潔程度、濕度、四季時(shí)令變化等多種因素影響,變化很大[3]。由此可見,對(duì)于放大器來(lái)說(shuō),肌電信號(hào)源是一個(gè)高內(nèi)阻的信號(hào)源。

在設(shè)計(jì)肌電信號(hào)放大電路時(shí),著重考慮了以下問(wèn)題:1.高增益:表面肌電信號(hào)幅度約在分布μV~mV數(shù)量級(jí)之間,是一種極其微弱的信號(hào),要將其放大到一伏左右才能方便使用,所以將放大器的增益設(shè)置在80dB。2.高共模抑制比:表面肌電信號(hào)的采集易受50Hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號(hào)在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號(hào)——共模信號(hào),因此選用高共模抑制比的放大電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。3.高輸入阻抗:肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化,天氣干燥地區(qū),接觸電阻甚至高達(dá)幾萬(wàn)歐姆,在這種條件下,即使放大器的共模比極優(yōu)良,如果輸入阻抗不夠高,共模干擾信號(hào)也會(huì)造成輸出誤差。因此必須提高放大器的輸入阻抗。

根據(jù)以上所述,設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)采集電路要求具有高增益、高輸入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失調(diào)、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓。本文選用德州儀器Texas Instruments)公司的Burr-Brown系列的同相并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器INA128PA為核心器件搭建了前置放大電路,獲得了良好的電路效果。該芯片內(nèi)部原理電路圖如圖1所示。

圖1 INA128內(nèi)部原理圖

表面肌電信號(hào)非常微弱,從電極引導(dǎo)出的信號(hào)夾雜著很強(qiáng)的干擾信號(hào),為了避免在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)進(jìn)入非線性區(qū)引起嚴(yán)重失真,應(yīng)該采用兩級(jí)放大。儀用放大器INA128作為一級(jí)放大,設(shè)計(jì)比例運(yùn)算放大器作為二級(jí)放大。

4 濾波器的設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)一般只有毫伏級(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、濾波功能,并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。低通濾波器采用壓控電壓源型二階低通濾波器。

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)中采用雙T有源濾波器來(lái)濾除50Hz的工頻信號(hào),如圖2所示。

圖2 雙T有源濾波器電路

下面來(lái)分析可能引入工頻干擾的途徑:1由空間輻射引入:空間的電磁場(chǎng)可以通過(guò)檢測(cè)設(shè)備中的電極連線、印刷電路板上的連線、器件引腳或器件本身感應(yīng)為相應(yīng)頻率成分的電流,成為噪聲混入肌電信號(hào)。空間的電磁場(chǎng)可能來(lái)自于多種源,最致命的是電網(wǎng)輻射造成的工頻干擾。2由直流電源引入:檢測(cè)設(shè)備中,為有源器件供電的直流電源通常都是由工頻交流電源變壓、整流、穩(wěn)壓而得到的。直流穩(wěn)壓電源不可能達(dá)到理想的濾波效果。以紋波形式存在的工頻(或其諧波)電流會(huì)通過(guò)電源引入到放大電路中。3由受試者身體引入:暴露于空間電磁場(chǎng)中的受試者身體同樣會(huì)感應(yīng)電磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,受試者身體所感應(yīng)的工頻電流通過(guò)檢測(cè)電極,與生物電信號(hào)一起加到放大器輸入端,形成工頻干擾。

針對(duì)直流電源引入的工頻干擾,采用電池對(duì)有源器件進(jìn)行供電。采用電池供電不僅避免了整流穩(wěn)壓電源紋波所帶來(lái)的工頻干擾問(wèn)題,而且還消除了因漏電而導(dǎo)致受試者被電擊傷的可能。由于電池的電壓較低,用多節(jié)電池又會(huì)顯得體積龐大,所以采用DC/DC模塊來(lái)升壓解決芯片的供電問(wèn)題。

5 A/D轉(zhuǎn)換

由于采樣頻率并不高,選用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832即可。ADC0832使用采樣—數(shù)據(jù)—比較器的結(jié)構(gòu),采用逐次逼近方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)多路器的軟件配置,單端輸入方式下,要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和地端;差分輸入方式下,要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和另一輸入端。ADC0832的兩輸入可以分配為正極或負(fù)極,可以由多路器進(jìn)行軟件配置。但是要注意的是,當(dāng)連到分配為端的輸入電壓低于分配為負(fù)端的輸入電壓時(shí),轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0。通過(guò)和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令,用軟件對(duì)通道選擇和輸入端的配置。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下,可以在轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能。另外,可把轉(zhuǎn)換器和模擬傳感器放在一起,和遠(yuǎn)端的控制處理器串行通信,而不是進(jìn)行低電平的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送。這樣的處理使返回到處理器的是無(wú)噪聲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),避免了模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳的干擾。整個(gè)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢,具體電路圖3所示:

圖3 系統(tǒng)電路圖

6 結(jié)論

表面肌電信號(hào)非常微弱,先要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大,才能達(dá)到AD采集單元的要求,而且由于人體是一導(dǎo)電體,工頻干擾及體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲,干擾肌電信息的檢測(cè),嚴(yán)重影響了測(cè)量系統(tǒng)的工作和有用信號(hào)的正確測(cè)量。本文根據(jù)表面肌電信號(hào)產(chǎn)生特點(diǎn)和采集技術(shù)的基本要求,設(shè)計(jì)了表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器,取得了良好的試驗(yàn)效果。

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