1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題：前臂表面肌電信號(hào)調(diào)理采集電路 班級(jí) 電子1122 學(xué)號(hào)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(jì)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(jì)目的（a）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用的已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問題的能力。（b）學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見實(shí)際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。（c）進(jìn)行基本技術(shù)技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常見元器件的識(shí)別、測(cè)量、熟練運(yùn)用的能力，掌握設(shè)計(jì)資

2、料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)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(jì)要求1、表面肌電信號(hào)是一種微伏級(jí)的微弱信號(hào)。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(duì)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(jì)3.1總體框圖前臂肌電信號(hào)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(duì)值放大電路后送給單片機(jī)的A/D，單片機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行多運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。電極：銀氯化銀數(shù)字輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換陷波，濾波，放大初步放大 圖1 表面肌電信號(hào)調(diào)理采集電路總框圖 3

3、.2 表面肌電信號(hào)的初級(jí)放大表面肌電(SurfaceEMG ,sEMG)是當(dāng)肌肉興奮收縮時(shí)，所有激活的肌纖維動(dòng)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(shí)，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(shí)也有動(dòng)作電位的變化。如果用一種實(shí)時(shí)的肌電電極將這種動(dòng)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(hào)分析的角度講，也可稱為肌電信號(hào)。它是肌肉中許多運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉谠跁r(shí)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(dòng)作電位，即為肌電信號(hào)。其產(chǎn)生機(jī)理如下:當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)命令肌肉收縮時(shí)，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的細(xì)胞體將產(chǎn)

4、生沖動(dòng)，該沖動(dòng)通過細(xì)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(diǎn)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(dòng)作電位，而與每個(gè)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(yùn)動(dòng)單元。動(dòng)作電位沿著肌纖維分別向各個(gè)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(yùn)動(dòng)單元，單個(gè)運(yùn)動(dòng)單元內(nèi)肌纖維幾乎是同步興奮的，而各個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)單元之間的興奮是相互獨(dú)立的。因此，sEMG又可被看成是所有產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢淮?Motor Unit Action Motion Trains, MUAP

5、T)的綜合疊加。MUAPT就是一系列運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢?，它是sEMG的基礎(chǔ)。當(dāng)脊髓中樞發(fā)出收縮指令時(shí)，會(huì)有一系列興奮信號(hào)，即神經(jīng)脈沖序列沿著運(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢恍蛄小２煌氖湛s力，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) 單位數(shù)目不同，所有被募集的運(yùn)動(dòng)單位的MUAPT疊加后形成表面肌電信號(hào)1。 由此看來，生理電信號(hào)在肌肉纖維中的傳播導(dǎo)致了肌肉的收縮，同時(shí)傳播中的電 信號(hào)在人體軟組織中引起電流場(chǎng)，并在檢測(cè)電極間表現(xiàn)出電位差，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)位于皮膚表面處，檢測(cè)電極是表面電極時(shí)，此時(shí)檢測(cè)的信號(hào)即為表面肌電信號(hào)。考慮到表面肌電信號(hào)時(shí)一種微伏級(jí)的微弱信號(hào)，為了提高信號(hào)的信噪比，電極拾取的信

6、號(hào)須經(jīng)過初級(jí)放大。由于表面肌電信號(hào)傳感器空間十分有限，所以初級(jí)放大電路要求盡量簡(jiǎn)單。初級(jí)放大電路采用差分式設(shè)計(jì)，電路如圖2所示。圖2 表面肌電信號(hào)的初級(jí)放大電路3.3表面肌電信號(hào)的調(diào)理電路由于表面肌電信號(hào)微弱，容易受到前臂自身、信號(hào)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(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的表面肌電信號(hào)進(jìn)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(hào)，為后期的肢體運(yùn)動(dòng)模式做好準(zhǔn)備。由于不同人或相同人不同時(shí)間下的肌肉表面采集的信號(hào)會(huì)有幅值的不穩(wěn)定性，為后期的動(dòng)作識(shí)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(duì)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(hào)

7、調(diào)整到特定的閾值區(qū)間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。其硬件電路件圖3。圖3 表面肌電信號(hào)的調(diào)理電路4、單元電路設(shè)計(jì)4.1 初級(jí)放大電路的分析該電路由三部份組成，拾取簡(jiǎn)單濾波電路、并聯(lián)型雙運(yùn)放構(gòu)成的前級(jí)放大器、阻容耦合電路。初級(jí)放大電路采用差分式設(shè)計(jì)，電路如圖2所示。在拾取簡(jiǎn)單電路中，節(jié)點(diǎn)MIDGND為+2.5v；R2，R4，C2組成一個(gè)簡(jiǎn)易的低通濾波器；C3，R5，R6，C4則是一個(gè)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(hào)，以防在高倍放大時(shí)使運(yùn)放達(dá)到飽和狀態(tài)。并聯(lián)型雙運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn)是不需要精密匹配的電阻，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(yùn)

8、放的輸出為雙端差動(dòng)輸出信號(hào)，如果僅用單端輸出信號(hào)時(shí)將不再具有這一優(yōu)點(diǎn)。共模取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻和一只由運(yùn)算放大器組成的跟隨器構(gòu)成。從而使得共模信號(hào)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(yùn)放為TL084，如圖4。TL084是一款高輸入電阻的四運(yùn)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，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，1

9、1腳是負(fù)電源（或單電源使用時(shí)的電源地）。圖4 TL084管腳圖42 表面肌電信號(hào)調(diào)理電路的分析由于肌電信號(hào)非常微弱，在拾取、調(diào)理、采集過程中，不可避免地會(huì)引入許多干 擾，常會(huì)使有用的肌電信號(hào)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(hào)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(gè)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(jì)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(dá)生物組織及放大器的方式主要是靠分布電容，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

10、常是實(shí)驗(yàn)中最常出現(xiàn)、幅度最大的干擾。 （2）高頻干擾來源于電臺(tái)、無線通訊設(shè)施、其他儀器等。這些信號(hào)的頻率遠(yuǎn)在生物電信號(hào)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(hào)過強(qiáng)時(shí)，可因“檢波”及高頻“削波干擾”產(chǎn)生低頻信號(hào)，進(jìn)而形成干擾。 （3）其他生物電信號(hào)信號(hào)與干擾是相對(duì)的，當(dāng)采集心電信號(hào)時(shí)肌電信號(hào)被視為干擾。當(dāng)采集肌電信號(hào)是心電信號(hào)也視為干擾。因此，目的信號(hào)以外的其他生物電信號(hào)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)部元件的質(zhì)量和性能有關(guān)。在輸入回路中，也會(huì)引人噪聲。其大小與電極電位、接觸電阻有關(guān)

11、。 （5）刺激偽跡的實(shí)質(zhì)是放大器直接記錄到的電刺激信號(hào)，它是以電的方式傳到記錄端的，是一個(gè)純粹物理的過程。刺激信號(hào)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(huì)干擾隨后出現(xiàn)的生物電信號(hào)。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(hào)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(duì)值放大、A/D模數(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(hào)不損失

12、的情況下，有效的抑制輸入信號(hào)中某一頻率信息。在日常生活中常會(huì)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(duì)諧振的頻率信號(hào)阻抗為0，對(duì)其它頻率信號(hào)阻抗為； 把串聯(lián)諧振電路接在信號(hào)通道與地之間，并諧振于干擾信號(hào)頻率，這樣，干擾信號(hào)就被諧振電路短路入地，對(duì)其它頻率信號(hào)無影響。此單元電路用到的運(yùn)放為TL082、TL084，其中TL082電路如圖5所示。TL082是一通用的J-FET雙運(yùn)算放大器。其特點(diǎn)有：較低的輸入偏置電壓和偏移電流，輸出沒有短路保護(hù)，輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗，內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路，較高的壓擺率。最大工作

13、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(duì)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(duì)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(shí)間下的肌肉表面采集的信號(hào)會(huì)有副值得不穩(wěn)定性，為后期的動(dòng)作識(shí)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(duì)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(hào)調(diào)整到特定的特定的閾值區(qū)間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。其硬件電路件圖8。圖8 絕對(duì)值電路4.4材料清單一、電阻（單

14、位：歐姆 精度：1% 只/臺(tái)）51k 2個(gè)， 39k 1個(gè)， 20k 4個(gè)， 68k 2個(gè)30k 1個(gè)， 82k 1個(gè)， 510 1個(gè)， 2.2M 3個(gè)10k 7個(gè)， 600k 2個(gè)， 2k 3個(gè)， 1k 2個(gè)滑動(dòng)變阻器10k 1個(gè)， 滑動(dòng)變阻器100k 1個(gè)二、元器件電解電容0.047uf 4個(gè)， 2.2uf 1個(gè) 0.47uf鉭電容 1個(gè)， 0.1uf 2個(gè)0.33uf 2個(gè)，TL082 1個(gè)， TL084 2個(gè)5、調(diào)試 首先運(yùn)用電工知識(shí)對(duì)所要用的元器件逐個(gè)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)

15、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(shí)物連接圖，將裝置中的各個(gè)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?yàn)椴簧鞫鴮?dǎo)致的各種明顯的錯(cuò)誤。如果發(fā)現(xiàn)不出什么問題了就開始進(jìn)入正式的調(diào)試狀態(tài)了。因?yàn)樵趯?shí)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(yùn)用了不少電阻，故器材中電阻好壞的測(cè)試需要花費(fèi)很大精力。另外集成運(yùn)放有個(gè)引腳，也需仔細(xì)測(cè)試。 6、電路測(cè)試及測(cè)試結(jié)果電路測(cè)試時(shí)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(hào)發(fā)生器給出一個(gè)模擬信號(hào)，頻率為100Hz之間，偏置電壓為0.01v，將輸出端接入示波器，觀察視圖。分單元電路測(cè)試時(shí)，將電路中的初級(jí)放大

16、電路的運(yùn)放芯片的11與4管腳分別接進(jìn)示波器，有波形輸出，且波形頻率為100Hz下輸出電壓210mv，則初級(jí)放大電路在誤差允許的情況下實(shí)驗(yàn)成功。同樣在測(cè)試陷波、濾波以及最后的絕對(duì)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(shí)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(jì)不夠精密導(dǎo)致拾取的電壓信號(hào)不夠干凈，也可能是后來的絕對(duì)值放大電路可調(diào)電阻值得問題。最后在調(diào)試試驗(yàn)電路板時(shí)，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(hào)發(fā)生器給出頻率為100Hz之間，偏置電壓為0.01v的正弦信號(hào)，經(jīng)示波器的有效連接，有規(guī)律的正弦波形輸出，但經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中運(yùn)放的誤差符合正常，實(shí)驗(yàn)

17、成功。7、設(shè)計(jì)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(jì)帶來較大的不便，也嚴(yán)重影響了測(cè)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(duì)于此次的課題設(shè)計(jì)又額外總結(jié)了一下四點(diǎn)： 第一，這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)際上有明顯的不足之處，在初級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)中，首次拾取微弱的電壓時(shí)有很大的困難，因?yàn)闀?huì)存在部分噪聲和直流電壓的影響的干擾，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(hào)以防止在高倍放大前使運(yùn)放達(dá)到飽和狀態(tài)。第二，本次設(shè)計(jì)在初級(jí)放大階段較好的選取差分式設(shè)計(jì)，這充分考慮到了初級(jí)信號(hào)的微弱性以及表面肌電信號(hào)傳感器的有限性，有效提高了信號(hào)的信噪比。第