肌电放大器.doc
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肌电放大器(交流供电)
设计报告
测试报告
学号:
30042023333
专业:
生物医学工程
班级:
04级一班
姓名:
杨益民
日期:
2007年1月18日
肌电放大器(交流供电)设计报告
肌电图可以为骨骼肌及其神经支配的生理状况提供重要的信息。
当运动单位发生各种病理变化时,均会出现异常肌电图波形。
根据神经肌电活动的变化可以确定病变来自哪个部位、形状和病变程度等,对病理过程不同的各种疾病做出区别,以供诊断。
一般用体表法和微电极插入法记录肌电图。
体表记录肌电图比较方便简单,但不能记录深部肌肉的电位。
同时,在记录体表肌电时,很容易受到其他体表信号的影响。
在记录深部肌肉或者某一运动电位的肌电图时,常采用单极、双极或者多极的插入式电极来记录肌肉的一个小区域的局部电活动。
肌电信号的幅度范围为0~10mV(峰峰值),有用信号的频率范围被限制在0~500Hz,并且肌电信号能量主要集中在50~150Hz范围内。
下图显示了一个表面肌电信号和其功率谱。
设计目的和应用
•设计目的:
本设计主要作用于肌电信号的放大和检测,来获得可以在示波器上显示出来的肌电信号波形。
•应用:
1.医院肌电的临床检测。
2.健身房里人们运动程度是否过度的检测。
肌电信号的关键参数和放大器放大倍数
幅度:
20μV-5mV
主要频率范围:
10Hz-500Hz
放大倍数:
1040-1120倍
(一).电源主线
变压,整流,滤波,稳压
220V,50Hz交流电
变压
整流
±12V直流输出
滤波
稳压
(二).信号主线
肌电信号
10Hz高通滤波
六阶500Hz低通滤波
光电隔离
前置放大电路
主放大电路
主放大电路
50Hz陷波器
(1).高通隔直
图:
一阶无源高通电路
fo=1/2πR1C1=10Hz
(2)前置放大电路
放大倍数A=1+49.4/Rg=100
(3)光电隔离
图:
线性隔离放大器
该电路又称隔离放大器,如图所示,电路的核心由2个光电耦合器V1和V2。
V2和R3组成输出级;V1和V2的初级串连,共用同一激励电流I1;V1和R2模仿输出形式,组成负反馈电路。
设V1和V2的电流非线性传输函数分别为g1(I1)和g2(I1)。
即I2=g1(I1)
(1)
I3=g2(I1)
(2)
A是单电源运算放大器,根据理想运放的概念,有下列关系:
Ui=UA=I2R2 Uo=I3R3
G=Uo/Ui=I3R3/(I2R2)(3)
将式
(1)、式
(2)代入式(3)得
G=[R3·g2(I1)]/[R2·g1(I1)]=K·g2(I1)/g1(I1)
式中 K=R3/R2
如果V1和V2是同型号光电耦合器或是同一封装的双光电耦合器,那么,可以认为它们的传输函数的温度特性和电流非线性是完全一致的,即g1(I1)=g2(I1),则G=K。
常数K即为该隔离放大器的电压传输比。
由此可见,利用光电耦合器V1和V2电流传输系数的对称性,一个作输入,一个作反馈,可以巧妙补偿其非线性。
(备用方案)
㈠同相电压电流转换电路部分
Vi+E=I×(Rs+Rw)⑴
㈡光电耦合电路部分
Io=α×I⑵(α为电流传递系数)
㈢电流电压转换电路部分
βIo=Vcc/R1+Vo/R2⑶
由⑴⑵⑶可得Vo=R2[β×α×(Vi+E)/(Rs+Rw)-Vcc/R1]
(4)六阶500Hz巴特沃思低通滤波电路
计算:
1.查表,得六阶巴特沃思低通滤波器的电阻值为C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F。
2.频率变换因子FSF=6.28×500=3140。
3.取Z=10000。
4.根据公式C=C’/(Z×FSF)和R=R’×Z,得C1=0.033μF,C2=0.031μF,C3=0.045μF,C4=0.023μF,C5=0.123μF,C6=0.008μF,R=10K欧。
5.再根据电容标称值和电阻标称值做出最终的选择:
C1=0.033μF,C2=0.033μF,C3=0.047μF,C4=0.022μF,C5=0.1μF,C6=0.01μF,R=10K欧。
得出的六阶巴特沃思低通滤波器如下图。
(5)后级放大电路
可调倍数A=Rf/R1(10倍)
截止频率粗略计算:
fH=1/2πC2×(Rf+Rw+R1)
fL=1/2πC1R1
(6)50Hz陷波器
陷波中心频率:
fo=1/2πRC
品质因数:
Q=1/4(1-β)
带宽:
B=fo/Q
设计小结:
(1)本设计的创新点:
1.光电隔离部分采用了新型线性隔离放大器,可以很好的补偿光电耦合器的非线性。
2.50Hz陷波器采用两个同阻值的电容并联,这样可以使得陷波的参数更准确,陷波的效果更好。
(2)设计中的缺陷:
由于没有合适的电源隔离芯片。
电源没有设计隔离。
光电隔离放在前置放大后,前置放大部分的电源就只能由电池供电或者由交流电处理后(未隔离)的±12V供电(有交流220V漏电的危险)。
肌电放大器(交流供电)测试报告
(一).电源主线
变压,整流,滤波,稳压部分
测试结果:
输入220V交流电,输出OUT1=+12.08V,OUT2=-11.98V。
(二).信号主线
整体测试参数:
1.差模Vi=20mV,Vo=18.5V,AVD=907.5。
2.共模Vi=2.555V,Vo=8.96mV,AVC=0.035。
3.共模抑制比KCMRR=20lg(AVD/AVC)=88.26dB。
4.静态工作点各点的静态工作点都小于6.0mV。
5.输入阻抗Ri=130MΩ,输出阻抗Ro=0.52Ω。
6.零点漂移=|V02-V01|/Kh=0.002mV。
7.输入噪声Vin=Vo/AVD=6.0mV/907.5=0.066mV。
8.幅频特性(输入10mV)
频率(Hz)
36.9
40.9
45.09
48.02
50.09
55.56
64.46
输出(V)
9.075
9.075
7.10
4.20
2.70
9.075
9.075
频率(Hz)
132.7
165.4
210.4
305.1
400.0
500.0
632.1
输出(V)
9.075
9.0
8.0
7.0
5.0
3.0
1.0
(1).高通隔直
图:
一阶无源高通电路
fo=1/2πR1C1=10Hz
测试结果:
(输入为幅度2V的正弦信号)截止频率fo=10.9Hz
频率(Hz)
7.391
10.9
13.03
15.72
18.94
输出幅度(V)
1.0
1.41
1.61
1.82
2.0
(2)前置放大电路
放大倍数A=1+49.4/Rg=100
测试结果:
1.差模:
Vi=10mV,Vo=1V,AVD=100。
2.共模:
Vi=10V,Vo=2mV,AVC=0.0002。
3.共模抑制比:
KCMRR=20lg(AVD/AVC)=113.9dB。
4.零点漂移=|V02-V01|/Kh=0.0005mV。
(3)光电隔离
测试结果:
在10Hz-500Hz频率范围内,输入1.15V正弦,输出1.04V的正弦。
放大倍数A=0.91。
(4)六阶500Hz巴特沃思低通滤波电路
测试结果:
fo=481.2Hz输入2V正弦放大倍数A=1.0
频率(Hz)
88.24
159.77
229.53
332.94
432.89
464.15
481.2
500
600
700
输出(V)
2.00
1.90
1.80
1.70
1.60
1.50
1.41
1.30
0.78
0.40
(5)后级放大电路
放大倍数A=Rf/R1(10倍)
测试结果:
fo=474.0Hz输入200mV正弦放大倍数:
A=10
频率(Hz)
6.89
10.5
13.63
15.62
18.84
108.24
159.77
输出(V)
1.08
1.41
1.61
1.82
2.0
2.0
1.90
频率(Hz)
228.53
326.94
425.89
454.15
474.0
510.2
598.6
输出(V)
1.80
1.70
1.60
1.50
1.41
1.30
0.78
(6)50Hz陷波器
陷波中心频率:
fo=1/2πRC
测试结果:
陷波中心:
fo=50.198Hz带宽B=5.26Hz(输入2V正弦)
频率(Hz)
47.330
48.450
49.132
50.198
51.850
52.589
输出(V)
1.41
1.10
0.98
0.85
1.20
1.41
测试报告小结:
经实验证明:
本人的设计最终可以检测到较好效果的肌电信号和心电信号。
但本实验结果还有很多不完善的地方:
1.光电耦合部分按照设计报告中的两种方案都得不到好的效果,(主要是信号传输不到下级)。
所以我只能采用测试报告中的方法。
(该光电耦合电路虽简单,效果却很好)。
2.噪声抑制的还不够好,在心电检测中,由于噪声的干扰,P波和U波的波形不是很好。
学习小结:
在医电这门课中,经过从设计,答辩,到制作的全过程,我感觉自己确实学到不少知识和技术,也从中锻炼了很重要的动手实践能力。
总之,在这个过程中,我很有收获。
但从暴露出问题和过程中的个人感受来看,我还有很多很多东西不懂,不会,自己的知识和能力还很欠缺。
不过,我会努力的。
^_^^_^