表面肌电信号前端处理系统_熊平.docx

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1、2182015,51(1)ComputerandApp1icationsifMt,X-表面肌电信号前端处理系统熊平，唐建XIONGPing,TANGJian中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083Schoo1ofGeosciencesandInfo-Physics,Centra1SouthUniversity,Changsha410083,ChinaXIONGPing,TANGJian.SurfaceEMGsigna1preamp1ifiersystem.ComputerEngineeringandApp1ications,2015,51(1)：218-222.Abstract：The

2、highCMRR(CommonModeRejectionRatio)preprocessorofSEMG(SurfaceE1ectromyography)signa1isdesigned.Itamp1ifiestheweakSEMGsigna1bypreamp1ifierconstitutedbydua1OpAmpinpara11e1form,resistiveandcapacitivecoup1ingcircuitandINA128,withwhichthepreprocessorcangethighinputimpedanceandhighCMRR.Shie1dingdriverandri

3、ght1egdriveraswe11asf1oatingpowerareintroducedtofurtherimprovetheCMRRandanti-interferenceabi1ity.Thenhigh-passand1ow-passfi1ter,and50Hznotchfi1teraredesignedtofi1teroutthenoiseofdifferentbands.Throughexperimenta1tests,thepreprocessorhasahighanti-interferenceabi1ity,andcaneffective1yfi1teroutthenoise

4、,suppresspowerfrequencyinterference,andcanmeettherequirementsofSEMGsigna1de-noisingandamp1ification.Keywords：SurfaceE1ectromyography(SEMG);preprocessor:CommonModeRejectionRatio(CMRR);anti-interference摘要：设计了高共模抑制比的表面肌电信号前端处理系统。采用并联型双运放差动放大器、阻容耦合电路以及仪器放大器INAI28构成初级放大电路对微弱的表面肌电信号进行放大，并获得高输入阻抗和高共模抑制比；引入

5、屏蔽驱动、右腿驱动以及浮地电源来进一步提高系统的共模抑制比和抗干扰能力：设计高通和低通滤波器以及50HZ工频陷波器，对不同频段的噪声进行滤除。通过实验测试，该系统具有较强的抗干扰能力，并且能够有效滤除噪声、抑制工频干扰，满足表面肌电信号去噪和放大的要求。关键词：表面肌电信号；前端处理；共模抑制比；抗干扰文献标志码：A中图分类号:R318；TP39doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1303-00981引言表面肌电信号(SEMG)是由电极周围的肌纤维产生的所有运动单元电位(MotorUnitPotentia1s,MUAPs)在空间和时间上的累积。这些信号取决于运动相关的肌肉

6、收缩过程中的解剖和生理特性，能够为人们提供与神经肌肉活动相关的重要信息。由于其具有提取方便、快捷、无创测量等优点，表面肌电信号已经被广泛应用于例如功能性电刺激(FES),肌肉收缩的疲劳分析、功能恢复、临床诊断以及假肢控制系统等许多领域上叫。表面肌电信号是一种非常微弱的交流电压信号，其幅值在1005000V,峰峰值一般在06mVo采用表面电极时，肌电信号能量主要集中在1000Hz以下，频谱分布在20-500Hz,其中，绝大部分频谱集中在50150Hz之间网。研究表明，表面肌电信号一般不会超过噪声水平，因此在进行表面肌电信号采集时必须先对其进行放大和去噪等处理，这就决定了处理电路必须满足高输人阻抗

7、、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移同等要求。本文通过分析表面肌电信号采集过程中可能引入的噪声源，设计相应的电路模块对其进行抑制，在保证表面肌电信号放大的同时使干扰降到最低。2影响SEMG的因素分析本身即为一种微弱信号，再加之皮肤和组织的衰减作用，在皮肤表面记录的表面肌电信号更容易受各种干扰的影响闾。影响表面肌电信号形态和特性的因素基本上可以归纳为以下几个方面：(1)组织特性，人的身体作者简介：熊平（1959），男，博士，教授，硕士生导师，研究领域为肿瘤物理定位治疗；唐建（1988），男，硕士研究生，研究领域为医学仪器硬件设计。E-mai1：609985310收稿日期:201393-U修回日

8、期:2013-05-06文章编号：1002-83期（2015）01-0218-05CNK1网络优先出版：2013-05-21,熊平，唐建：表面肌电信号前端处理系统用的电极及电子器件本身固有的噪声可能会致使在SEMG是良好的电导体，这也是能够检测到表面肌电信号的基础。然而，人体的导电性会随着组织的形状、厚度，以及生理条件和温度的变化而改变，这些条件会因测量主体的不同（甚至在主体内部）有较大的差异，因此不能对未经过处理的SEMG信号进行振幅等参数的定量比较。（2）串扰，表面肌电信号在采集过程中会受到别的生理信号的串扰，包括相邻肌肉电信号，以及其他生理信号比如心电、脑电等。（3）测量电极放置位置的变

9、化，信号源与检测点之间距离的变化会影响表面肌电信号的读取，这对于所有动态运动研究来说是一个必然存在的问题。（4）外部干扰，在噌杂的电气环境中要特别注意这类干扰，主要包括50HZ工频干扰，电台、无线通讯设施以及其他仪器造成的高频干扰。（5）电极及电子器件的固有噪声：系统中选基线上加入其他的信号内容，值得注意的是这类干扰无法靠外部方法来消除，只有通过选择高质量的元器件并且严格控制工艺技术等措施将其控制在可接受的范围。3整体电路设计系统设计的电路主要由四部分组成：初级放大电路、屏蔽驱动和右腿驱动电路、浮地电源和滤波电路以及后级放大电路。3.1 初级放大电路本部分电路主要对是将两路差分表面肌电信号转换

10、成一路信号，并对其进行放大和共模抑制。主要由三部分组成：双运放并联型差动放大器、阻容耦合电路以及集成仪器放大器。电路如图1所示。（1）对于并联型差动放大器，为提高运放性能的匹配性，选用集成双运放OPA2604一块芯片上的两个运放进行该功能块的设计W（I如图1中的UM和i1）0并联型双运放差动放大器能够有效地提高整体电路的输入阻抗，并且得关注的优点是无需精密匹配的外围电阻，不难证明，（1）屏蔽驱动：由于信号线与电缆屏蔽层之间存在10,INA128的共模抑制比为106dBo对输入信号有一定的缓冲作用。该电路最值2015,51（1）219对于理想运放，并联型差动放大器的共模抑制比为无穷大，输入阻抗也

11、为无穷大，且与外围电阻（R与RS）的匹配程度无关。（2）阻容耦合电路（高通网络）置于并联型差动放大INA128的增益计算公式为G=1+延，另外，INA128心的共模抑制比随增益的增大而增大，阻容耦合电路的设计为该部分放大器提高增益提供了条件。系统中取Rg=5.6k。，此时G=图1所示电路的差动输出可由式（1）计算：V=（Vin-Vin）（1+/?7/?+9/?10）G（1）其中G为INAI28的增益。3.2 屏蔽驱动与右腿驱动电路引入屏蔽驱动和右腿驱2202015,51（1）ComputerandApp1ications计算机工程与应用器与仪器放大器之间，主要起隔离极化直流电压的作用。动，是为

12、提高系统的共模抑制能力，增强系统抑制干扰的在图1中，U1A的输入信号取自U1A（输入为ViM,输出为Voa）和UIB（输入为,输出为Vob）输出端两个串联电阻治和岛的中点电压Yc,BPVc=2（Vo+Vob）.当只有差模信号（即Voa=-Vob）的输出时，Vc=0,则运放%的输出电压等于0,等同于接地；而当有共模信号和差模信号共同输入时，如的总输出中只包含输入信号的共模部分VC=Voa+Vob）,使得共模信号不经阻容耦合电路的分压而直接加在集成仪器放大器Ue的输入端，从而避免了由于阻容耦合电路的不匹配而造成共模信号转换成差模信号的情况。（3）电路后级使用通用型仪用放大器INA128明，将并联型

13、差动放大器输出的双端信号转换成常用的单端输出信号。INAI28具有高精度、低偏置电压、低温漂以及高共模抑制比等特点。能力。分布电容，而两根导联线的分布电容不可能完全相等，加之电极阻抗不平衡，导致包括输入回路在内的整个放大系统共模抑制比能力下降，所以使导联线的屏蔽层不接地，将共模电压通过电压跟随器与屏蔽层连接，从而消除屏蔽层电容的不良干扰。（2）右腿驱动：作为抑制工频干扰的有效方法之一，右腿驱动电路常被用于生物体表电信号的采集U1它从前置放大电路两个相等的偏置电阻R8、&中间取出人体共模电压，依次经Sb（电压跟随器）与（反相放大）连接到右腿，本质上，它是一个共模电压并联负反馈电路，起快速放电、有

14、效衰减人体所带共模电压的作用。图2屏蔽驱动与右腿驱动电路3.3 浮地电源不难理解，如果U八和Um的正负电源的公共端不接地，而是把它接到与共模输入电压等电位的一点，那么对于两个运放来说共模信号将是零网。系统采用一种“浮地电源”旧技术，来减小电源纹波所带来的工频干扰。电路如图3所示，从前置放大电路两个相等的偏置电阻&、心中间取出人体共模信号输入到集成运放U5A和U58的正相输入端，Q1、。与Q3、Q分别构成PNP型和NPN型比例恒流源电路网，通过图3浮地电源电路精密稳压器QS和精密电阻凡9来控制流过三极管集电极的电流恒为025mA,使得流入SA反相输入端的电流恒为0.25mA同时流入小川反相输入端

15、的电流恒为SA和Ss来说，共模信号即相当于零，消除了共模信号产生的误差。3.4 滤波器电路表面肌电信号是一种非平稳微弱信号，频谱分布在20500Hz,除了高频与低频噪声外，还要注意50HZ工频干扰。因此，本文中的滤波器电路主要包括50HZ双T型有源陷波器、高通滤波器与低通滤波器。3.4.150HZ双T型有源陷波器陷波器就是一种用作单一频率陷波的窄带阻滤波器，本文中使用的电路为典型的有源双T型陷波器时，陷波器的电路如图4所示。陷波器的品质因素Q,决定滤波器的选择性，高Q对应较窄的阻带而低。对应较宽的阻带。本设计中由于只要求衰减50HZ信号，其他频率尽量保留，因此需要提高。值的计算公式为：/1(2)Q=h-4(1-k)阻带BW为:/4(1-k)fo(3)BV=fii-J1=Q=其中陷波器的中心频率为黄=2%。，%为反馈系数，穴29+RU由式（2）和式（3）可以看出，当k1时，。值极高，8W接近于0,然而实验发现随着充值不断趋近于1,-0.25mA,从而保证电阻R35与Rm两端的压降恒为5V0如果假设共模电压为弘，则US的输出电压为VOgA=Vd-0.25=）-5V,以这个电压作为U1A和SH的负电源（图3中的VSS-5V2）使用；同理Usa