表面肌电信号检测电路的设计论文Word下载.docx

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lecturerYangGuangYing

台州学院

物理与电子工程学院

SchoolofPhysics&

ElectronicsEngineering

TaizhouUniversity

Taizhou,Zhejiang,China

2016年3月

March2016

摘要

表面肌电信号是人体肌肉收缩时在皮肤表面产生的一种生物信号，能够反映神经肌肉的活动，所以表面肌电信号在医学研究和体育研究等方面有广泛的应用。

本文主要是介绍了对表面肌电信号检测电路的设计。

肌电信号具有电压幅度小和低频率的特点。

采集电路设计模块主要分为电极信号采集、仪表放大、高通滤波、低通滤波、带阻滤波、差分调压和电源供电电路[1-2]。

最后通过采集卡传输到电脑上通过LabVIEW显示表面肌电信号。

研究通过Multisim进行仿真验证，通过实验，电路板可以将表面肌电信号进行实时采集，并显示在电脑上，整体信号清晰。

关键词

表面肌电信号；

仿真软件；

检测电路；

数据采集卡

Abstract

ThesurfaceElectromyographysignalisabiologicalsignalgeneratedonthesurfaceoftheskinofhumanbodymusclecontraction,canreflecttheneuromuscularactivity,sothesurfaceElectromyographysignalhasbeenwidelyusedinmedicalresearchandsportsresearch.

ThispapermainlyintroducesthedesignofsurfaceEMGsignaldetectioncircuit.TheEMGsignalhasthecharacteristicsofsmallamplitudeandlowfrequencyvoltage.Acquisitionmodulemainlydividedintoelectrodesignalacquisition,instrumentationamplifier,highpassfilter,low-passfilter,band-passfiltering,differentialvoltageandpowersupplycircuit.TheacquisitioncardistransmittedtothecomputerthroughtheLabVIEWdisplayofsurfaceEMGsignal.ThroughtheresearchontheMultisimsimulation,throughtheexperiment,thecircuitboardcanbesurfaceEMGsignalreal-timeacquisitionanddisplayonthecomputer,thewholeclearsignal.

Keywords

SurfaceElectromyographysignal;

Multisim;

Detectingcircuit；

Data

acquisitioncard

3.2.1.电极采集.......................................................................................................8

3.2.2.仪表放大电路...............................................................................................9

3.2.3.高通滤波电路.............................................................................................10

3.2.4.低通滤波电路.............................................................................................11

3.2.5.带阻滤波电路.............................................................................................12

3.2.6.差分调压电路.............................................................................................12

3.2.7.供电电源电路.............................................................................................13

4.2.1.仪表信号放大电路仿真.............................................................................14

4.2.2.高通电路仿真.............................................................................................15

4.2.3.低通电路仿真.............................................................................................16

4.2.4.带阻电路仿真.............................................................................................18

5.硬件制作及安装.............................................................................................................19

5.1.肌电信号检测电路板制作..................................................................................19

5.2.数据采集卡安装..................................................................................................21

1.绪论

因战争、疾病、事故导致残疾的人越来越多，对于残疾人的医治，使用假肢可以很好地弥补他们在生活上所带来的不便。

假肢有很多种，其中肌电假肢是由大脑神经控制肢体肌肉动作产生的肌电信号，电路板采集和检测肌电信号，并控制驱动电机产生动作，肌电假肢使用起来灵活，控制精度高，是将来假肢主要的发展趋势[5]。

肌电信号检测还可以应用于远程医疗，借助仿真机械手进行手术，此外肌电信号检测在运动生物学、科学体育等方面有广泛的应用[3]。

1.1．肌电信号研究意义

肌肉刺激时会生成一个个电位序号，在皮肤表面聚集，形成表面肌电信号[3,9]。

通过对肌电信号的研究，表面肌电信号在医疗方面和科学体育等方面有广泛的应用。

在医疗康复中，对表面肌电信号的采集、检测和分析可以控制微电机让假肢做出相对应的动作，完成相对应的动作。

在科学体育中，通过对肌电信号的检测，对肌肉运动中的状态进行研究，促进科学体育的发展[3,9]。

1.2．肌电信号研究发展

通过肌电信号特征，来有效采集肌电信号是重要的。

在假肢控制和康复研究领域，对于肌电信号与肌肉力的关系，肌电信号与关节转矩间关系，肌肉疲劳时的及肌电信号特征及补偿方法等的研究越来越多[14]。

1791年加伐尼在蛙类肌肉上做实验，证明肌肉的动作与电信号有一定的关系[13]。

1851年法国的杜波依斯一雷蒙德最早检测到人体肌肉的电信号[13]。

1907年派帕利用弦线检流计记录到人臂肌肉的电势差[13]。

1922年加塞和厄兰格才用阴极射线示波器观察到了肌电图[13]。

到了1950以后，电子技术的发展和计算机的出现，使人们对肌电信号的有了进一步地发展研究。

后来微处理器的出现实现了肌电信号定量分析[13]。

这些技术的发展，使得促进了肌电信号检测的发展。

1.3．本文研究内容

本文研究的是对表面肌电信号检测电路的设计，检测电路的作用是将人体表面的肌电通过电路板采集进来，然后将采集到的人体肌电信号传输给数据采集卡，最后将肌电信号在电脑上显示出来。

表面肌电信号具有微弱性，交变性，低频性的特点，检测电路主要分为电极信号采集，仪表芯片放大，高通滤波，低通滤波，带阻滤波，差分调压和供电电源这七个模块，通过肌电信号检测电路，将肌电信号有效地采集到电脑端。

2．肌电信号生物基础和特点

2.1．肌电信号生物基础

肌电信号是由脊髓中运动神经元发出的电信号。

运动神经元主要是由细胞体、树突、轴突、髓鞘和神经末梢组成，如图2-1。

图2-1　神经元结构组成

神经元可以传输信号，膜上有很多受体和离子通道，当递质与受体结合时或者膜内外离子浓度发生变化时，细胞膜会产生兴奋或者抑制，并将其信号传输到下一个神经元。

细胞质主要是给细胞提供营养。

树突是由细胞膜分离出来的像树枝形状的膜，这样可以使得递质与受体结合面积大大增大，从而使细胞膜更加敏感。

轴突是由髓鞘包裹，信号通过轴突传递到神经末梢，神经末梢分支很多，膜接触面积就越大，这样可以更加完全地将信号传输到下一个神经元进行信号传输[13]。

图2-2　肌电信号产生原理[13]

肌电信号产生的原理，如图2-2。

神经系统产生肌肉动作的指令时，运动神经元产生神经刺激，该刺激经过神经元之间传输，传递到与肌纤维接触的终板上，产生动作电位，将大量的动作信号合在一起就形成了运动单元，最后将很多的神经元所产生的运动单位合起来就形成了肌肉动作行为[13]。

神经电信号通过神经元的传递产生动作电位从而导致肌肉动作，在传播中电信号引起电流场，将电极紧贴皮肤上，肌肉发生动作时，电极上的电位差就是表面肌电信号。

2.2．肌电信号的特征

人身体上每一个部位的肌电是不同的，每一个人的肌电信号也是不同的，但是肌电信号普遍有以下几个特点。

1.微弱性。

肌电信号是一种微弱信号。

信号电压幅度一般在20-300µ

V,所以检测电路中要对肌电信号进行放大，方便后面采集卡的信号采集[5]。

2.交变性。

肌电信号一种交流叠加信号。

信号的强弱与肌肉动作的力度成正比[5]。

3.低频性。

人体表面的肌电信号的频率范围一般在0-1000Hz之间，能量主要分布在10Hz到200Hz。

检测电路中要对肌电信号进行高通、低通过滤，将干扰信号除去，提取出有效的肌电信号[5]。

4.频域法比时域法更好地反应肌电信号的特征。

肌肉动作力度发生变化时，时域法的波形可能会有较大的波动，而频域法的波形则变化不大[5]。

3．肌电信号检测电路硬件设计

3.1．总体设计框图

本文主要是研究对肌电信号检测电路的设计，设计框图如图3-1。

整个检测电路件设计结构分为：

电极信号采集并放大、仪表放大、高通滤波、低通滤波、带阻滤波、差分调压、供电电源。

图3-1总体设计框图

当人体的肌肉动作时，电极将人体表面上的肌电信号采集进来并对其放大一定的倍数，然后将肌电信号传输给仪表放大芯片，将信号放大，随后肌电信号通过高通滤波，低通滤波和带阻滤波，提取出有效信号。

随后将此信号经过差分电路进行调压，输入到数据采集卡里，最后通过数据采集卡将信号传输到PC端，由Labview显示出信号波形。

3.2．肌电信号检测电路设计

3.2.1．电极采集

电极可以采集和检测生物信号。

肌电信号易受外界干扰，选用电极也是十分重要的，尽可能地将肌电信号不失真地采集。

一般采用的电极是三点差动式输入电极，一极作为参考点，另外两端作为输入端，三个极板之间距离都是等距的。

本文现在采集的肌电信号，采用表面三点差动式输入电极，实用方便，形状像长方形一个，3块电极等间距安装，中间端为参考点，另两端为输入端，这样采集到的肌电信号有基准，不会产生电压漂移[4]。

放置电极时需注意一下几点：

1.清洗皮肤表面，用酒精擦拭干净，减少电极的阻抗。

2.检测过程中，电极的导线不要随意挪动，要固定住。

3.将电极放置于皮肤表面时，压力要适当，不要过大。

3.2.2．仪表放大电路

从电极上采集过来的肌电信号虽然经过一定的放大，但是其电压幅值还是很小，所以要用仪表芯片对其信号进行放大。

设计时应研究以下几个问题。

1.放大器增益范围广且可变。

从电极采集过来的信号大概在2mV左右，是一种及其微弱的信号，需要将此信号放大到1V左右，因此放大倍数可以选在500倍左右。

2.电路的共模抑制比要大。

肌电信号的采集容易受到工频电源和高频信号的干扰，干扰信号在输出端表面为同幅同向的共模信号，设计电路要求要较高的共模抑制比[4]。

3.电路要有很高的输入阻抗。

电路的输入阻抗要大于皮肤与电极的之间接触阻抗，这样提高输入信号的准确性。

本文采用了AD620芯片对信号进行放大，差动输入，单端输出。

差动输入抑制共模信号，放大差模信号。

芯片的电压增益是有一个外接电阻确定，放大倍数1-1000倍，放大范围广，放大倍数调节简单。

电压增益公式为G=50K/Rg+1。

本次设计Rg阻值设为100欧姆，放大倍数为501倍。

为了减少电源干扰信号，芯片供电中都用瓷片电容进行滤波[1-2]。

电路如图3-2。

图3-2仪表放大电路

3.2.3．高通滤波电路

采集过来的肌电信号频率在1-1000Hz段，肌电信号能量主要集中在10-200Hz频率段中，所以要对肌电信号进行滤波，滤去一些干扰信号和多余信号，采集有效的肌电信号。

本文采用压控式电压源二阶高通滤波。

压控式电压源二阶高通滤波电路是由电阻、电容和运放组成的电路，通过电阻和电容值的匹配可以确定滤波器的各个参数指标。

肌电信号的下限频率为10Hz，所以本文设置的频率为5Hz[1-2]。

电路如图3-3。

图3-3压控式电压源二阶高通滤波电路[1]

放大倍数：

Aup=1+R7/R6=1+3.4=4.4

截止频率：

C4=C5=0.1uF，R4=R5=315K，Fp=1/2*π*R*C=5Hz

品质因数：

Q=|1/（3-Aup）|=0.7

采用巴特沃斯滤波，使得在频带区没有明显的波动，使整体信号得到稳定[1-2]。

3.2.4．低通滤波电路

采集的肌电信号中有很多高频率的干扰信号，通过低通滤波电路除去这些干扰信号，肌电信号的的频率在10-200Hz，设置截止频率为200Hz，尽管会损失一部分的少量肌电信号，但是可以大大的减少噪声和高频干扰信号的影响。

本文采用二阶压控电压源低通滤波电路。

压控式电压源二阶低通滤波电路是由电阻、电容和运放组成的电路，通过电阻和电容值的匹配可以确定滤波器的各个参数指标。

运放芯片是高精度OP07运放，设置截止频率为200Hz[1-2]。

电路如图3-4。

图3-4压控式二阶低通滤波电路[1]

Aup=1+R18/R17=1+3.4=4.4

C11=C12=0.4uF，R15=R16=2K，Fp=1/2*π*R*C=200Hz

采用巴特沃斯滤波，频带可能有点宽，但在频带区没有明显的波动，使整体信号得到稳定[1-2]。

3.2.5．带阻滤波电路

整体电源供电是市电，信号中会有工频信号的干扰，设计一个带阻电路滤去杂波。

本文采用的是双T网络带阻滤波电路，该电路可以分为一个是高通电路，另一个是低通电路，将这2个电路合并起来实现带阻滤波[1-2]，。

电路如图3-5。

图3-5带阻滤波电路

通带放大倍数:

Aup=1+R22/R21=2.17

中心频率：

C15=C16=0.35uF,R19=R20=9K,fo=1/2*π*R*C=50Hz

品质因素:

Q=1/2*|2-Aup|=3

阻带宽度：

BW=fo/Q=16

通过电阻和电容值的匹配可以确定滤波器的各个参数指标。

实际仿真中当品质因素变大时，虽然阻带宽度会变小，但是会出现频带交叉导致中心频率的放大倍数会增大，而且可能会导致滤波效果不稳定，所以要取合适的品质因素，这样过滤的效果才能达到最好[1-2]。

3.2.6．差分调压电路

在肌电信号检测过程中，肌电信号可能会发生电压基准偏移，导致整体信号偏移。

设计一个差分调压电路就可以将偏移的肌电信号调到基准位置。

运放正端输入是由电阻分压控制的电压，另一端接输入的信号，经过差分比例电路，信号进行调压[1-2]。

电路如图3-6。

图3-6差分调压电路

差分输出电压公式Uo=Rf/R（U+-U-）,其中Rf=R25，R=R24，U+为可调电压，U-为出入肌电信号电压[1-2]。

通过此差分调压电路可以很好地将信号调整到基准位置，这样就方便后面数据采集卡地信号采集。

3.2.7．供电电源电路

供电电路将+5V电压通过IA0505S芯片装换为±

5V电压，给运放运放芯片提供电源，之前选择芯片1W，电源的供电电压不能额定值，后来改换芯片功率为2W，使供电电压达到额定值。

IA0505S芯片输入为DC+5V，输出选择一端作为参考点，其余两端相对这点参考点输出分别输出正负5V，给运放和芯片提供电源。

电路如图3-7。

图3-7供电电源电路

4．肌电信号检测电路的Multisim仿真

Multisim能对各种不同的电路进行功能仿真，功能强大。

本文用Multisim对检测电路中仪表放大电路，高通滤波电路，低通滤波电路和带阻滤波电路进行仿真。

4.1．Multisim仿真环境介绍

Multisim具有电路原理图的图形输入和电路硬件描述语言输入的方式，有很强的仿真功能[10]。

Multisim通过放置图形元器件，进行电路原理连接，从而达到仿真功能[10]。

Multisim为用户提供了大量的元器件，用户也可以自己制作自己的器件，这样就大大地增强了Multisim的仿真灵活性[10]。

用户可以从元器件选择自己需要的元器件，并对这些元器件进行参数测试，然后将这些元器件按照电路图连接起来，并用Multisim上的虚拟仪器进行功能的测试。

本论文使用Multisim10进行电路仿真测试。

Multisim可以将学习过的理论很好地应用到电路当中，为设计电路提供了很好的理论基础。

4.2．电路模块仿真测试

4.2.1.仪表信号放大电路仿真

仪表信号放大是对从电极上采集过来的肌电信号进行放大，仿真时用的INA114芯片，后期制板时由于实验室里没有现成的INA114,所以就用了AD620，两款芯片功能差不多。

仿真采用的是INA114AP芯片对肌电信号进行仪表放大，放大的倍数为501倍。

输入信号用的是示波器发出的有效值2.8mV的交流电压信号，电源给INA114AP芯片供电±

5V，外接电阻100Ω实现放大501倍，分别在输入端和输出端接上万用表和示波器，测量信号的有效值。

电路如图4-1。

图4-1仪表放大电路仿真

仿真数据结果如图4-2所示。

图4-2仪表信号放大电路仿真结果

如图4-2所示，输入和输出的万用表显示，输入信号为有效值2.8mA的交流信号,经过INA114芯片放大，输出信号为有效值1.41V的交流信号，放大倍数为501符合设计的要求。

4.2.2.高通电路仿真

设计高通电路截止频率为5Hz，对此电路进行仿真。

输入信号采用的是交流电源产生的交流信号，整体电路连接采用的是压控性二阶高通滤波电路，在输入端和输出端接上波特表，测试幅频特性，电源给芯片提供正负5V，输出端和输入端分为接万用表和示波器，万用表用来测试信号电压有效值，示波器是用来检测信号的整体波形。

仿真电路如图4-3。

通过不断地改变C3，C4，R3，R4的值来确定合适的幅频特性，最后选定固定值，得到最终仿真结果图。

图4-3高通电路仿真

仿真结果如图4-4所示。

图4-4高通电路仿真结果

如图所示此显示幅频曲线，蓝色的线是频率线，红线是幅度曲线，截止频率为5Hz，分贝约为10dB，频带响应曲线没有波动，阻频带以10分贝下降[1-2]。

符合5Hz高通设计的要求。

4.2.3.低通电路仿真

设计低通电路截止频率为200Hz。

输入信号是交流电源产生的交流信号，在输入端和输出端接上波特表，测试幅频曲线，电源给芯片提供正负5V，输入和输出端也接有万用表和示波器分为测量输入和输出的有效值和波形。

整体电路连线按压控性二阶低通电路进行连接，仿真如图4-5。

通过不断地改变R1、R5和C1、C2的值，来确定最终的幅频曲线。

最终选定固定值，得到最终的仿真结果图。

图4-5低通电路仿真

仿真结果如图4-6所示。

图4-6低通电路仿真结果

如图所示显示幅频曲线，绿色的线是频率线，红线是幅度曲线，截止频率为200Hz，以10dB分贝下降至零，频带响应曲线没有明显起伏。

符合设计200Hz低通的要求。

4.2.4.带阻电路仿真

带阻有源滤波器，滤去工频50Hz干扰信号。

输入为交流信号，电路的输入端和输出端接上波特器，测试幅频特性曲线，电源给芯片提供正负5V，输入和输出端还接有万用表和示波器，分别测量电压的幅值和波形。

仿真电路如图4-7。

通过不断地改变C1、C2和R1、R5的值，来确定合适的幅频曲线特征。

图4-7带阻电路仿真

仿真结果如图4-8所示。

图4-8带阻电路仿真结果

如图所示显示幅频曲线，绿色的线是频率线，红线是幅度曲线，带阻电路的中心截止频率为50Hz,分贝为18dB，可以有效去除工频干扰信号。

曲线整体性好，满足50Hz带阻的设计要求。

5．硬件制作及安装

硬件制作主要是制作检测电路板，硬件安装是将数据采集卡安装到电脑上。

硬件制作分为画原理图和PCB图，然后将板通过各个工序制作出来。

硬件的安装是将电脑上的声卡卡槽拔出来，插上数据采集卡，这样信号就可以通过数据采集卡采集到电脑里，通过电脑显示出来。