肌电放大器电路研究实验.docx

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肌电放大器电路研究实验

肌电放大电路的研究实验

实验目的1、熟悉肌电信号特点。

2、掌握肌电放大电路的设计与仿真。

3、掌握肌电放大电路及其单元电路的电路特性参数测量技术。

实验方式采用mutisim软件进行电路设计与仿真。

实验原理

肌电信号是肌肉收缩时产生的动作电位信号,对它进行测量就可诊断肌肉神经和运动器官的疾病.

肌电信号的振幅在50μV～2mV之间变动,有效频率在10～1000Hz之间,其中主要集中在10～500Hz.有用的信号是电磁噪音水平以上的部分.当检测和记录肌电信号时,主要有两项参数影响信号的可靠性.第一是信噪比,即肌电信号的能力与噪音信号的能量之比,第二是信号的失真.

人体皮肤表面的肌电信号很微弱，容易受到其他信号的干扰。

因此需要滤波器的输入信号进行滤波和放大才能得到有效且可识别的信号。

肌电信号的测量大都采用体表电极进行,电极与皮肤之间的接触阻抗的变化会对肌电图造成干扰,为减少这种干扰,要求放大器的输入阻抗足够高.采用杯状电极并对皮肤进行脱脂处理时，皮肤电极阻抗可控制在100KΩ以下，若需将干扰控制在1%下，则放大器的输入阻抗至少应该百倍于皮肤电极阻抗，通常输入阻抗都超过100MΩ。

肌电信号的幅值应该放大到V的级别，因此放大器的总放大倍数应该在1000～10000倍之间。

本设计的前置放大器的放大倍数为500，光电耦合放大2倍，后级放大器的放大倍数设计为2，总放大倍数为2000。

本设计的高通滤波器的截止频率设为10Hz，低通滤波器的截止频率设为500Hz。

此外，50Hz的工频信号也是一个重要的干扰源，它的频率恰好在表面肌电信号能量集中的频率段，且幅度比表面肌电信号大1-3个数量级，因此必须除去。

一、前置放大器

整个前置放大器的电路参数如下：

图3-1前置放大电路电路图

（1）增益

前置放大电路的增益主要由两部分组成，第一部分是差分放大电路，第二部分是仪用放大器。

由于电极噪声的存在，差分放大电路的放大倍数不宜太大，在这里设置为5倍左右，仪用放大器MAX4194的放大倍数设置为100倍左右，具体算法如下：

总增益

（2）共模抑制比

AD620的共模抑制比是73dB,所以总的共模抑制比是93dB。

式中：

CMR是前置放大器的总共模抑制比；

是第一级放大器的共模抑制比；

是第二级放大器的共模抑制比；

、

、

和

分别是第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。

（3）右腿驱动电路

肌电放大器周围环境中的电力线，不管有无电流通过，它与导联线间总存在静电耦合电容。

由电容耦合所引起的位移电流将通过皮肤电极接触阻抗到地，由此形成了较强的共模电位，又因为两电极-皮肤接触阻抗不可能相等，当输入阻抗不够大时，由这两个条件所引起的干扰会相当大。

对此我们要尽量减小皮肤-电极接触阻抗。

为了减小位移电流的干扰又采用了右腿驱动电路，从图中可以看到右腿这时不是直接接地，而是接到辅助放大器的输出，从R7、R8两电阻接点检出的共模电压经放大器后，再通过Ro反馈到右腿。

人体的位移电流这时不再流入地，而是流向Ro。

Ro在此起安全保护的作用，当病人和地之间出现较大的电位是，辅助运放饱和，相当于地，Ro此时起限流保护的作用。

当辅助运放不饱和时，

所以，采用右腿驱动电路可以减小人体与地之间的共模电位.

（4）带宽

此前置放大器中只有前面差分放大器中的阻容耦合电路和仪用放大器限制带宽，其中阻容耦合的通带为10－1500Hz，仪用放大器的带宽是1MHz，满足设计要求。

（5）极化电压

前置的增益越高则共模抑制比也越高，但在一般情况下，由于人体极化电位远大于差模信号，所以前置增益的提高受到限制，如果输入端设置电容隔置电路，势必会破坏输入端的平衡，使共模抑制能力下降。

本电路的特点是在差分输入端在R1处串联一个电容C1，使该级不具有直流增益，从而避免极化电位导致前级的阻塞,而又避免了对电路平衡性的破坏。

电容单位换算：

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）（皮法又称微微法）等，换算关系是：

1法拉（F）=1000毫法（mF）＝1000000微法（μF）

1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。

前置放大电路电路参数测试

（1）静态测试

两个输入端对地短路，测试输出电压Vo。

测量原理图为：

（2）等效输入噪声

Vin=Vo/K，K为放大器的的放大倍数。

（3）差模增益

将频率在工作范围内的正弦信号Vi接到放大器的一个输入端，另一端接地。

用示波器观测输出波形并记录Vod的幅值（输出以不失真为准）。

差模增益：

Ad=Vod/Vi

测量原理图为：

（4）共模增益：

放大器两输入端共同接2V/100Hz的正弦信号Vi，用示波器观察输出波形并记录Voc。

共模增益：

Ac=Voc/Vi

共模抑制比：

CMRR=20lg|Ad/Ac|（dB）

测量原理图为：

（5）

输入阻抗

当被测电路的输入阻抗比较大时，应采用如右图所示电路进行测量，此时在信号发生器与被测电路的输入端之间串联一个与Ri同数量级的电位器Rw。

保持输入信号Us不变，调节Rw使输出电压下降到未接Rw前的一半，即U'o＝Uo/2，然后取出Rw，测量其阻值，这个阻值就是放大器的输入电阻Ri。

或输入阻抗测试：

给电路供电±10V，输出对地短路，用数字万用表测量两输入端之间电阻，即为Ri

（6）输出阻抗

测量时保持被测电路的输入电压不变，在未接负载时，用毫伏表测量电路的输出电压Uo，然后在被测电路的输出端并接一个与输出阻抗Ro的数量级相当的负载RL，用毫伏表测量其输出电阻电压UoL，则输出阻抗为：

（7）带宽：

1、添加信号源并设置信号源的交流分析属性。

在前置放大器的输入端添加信号源，右击信号源在弹出的对话框点击最下面的属性栏，弹出属性对话框，在其中设置ACAnalysisMagnitude和ACAnalysisPhase。

2、交流仿真及其相关设置

点击Simulate→AnalysisAC→Analysis。

交流分析对话框如下：

A、添加电路输出变量

B、扫描起止频率参数设置及水平轴和纵轴标尺调整

设置完成点击其中的Simulate开始仿真，弹出图形显示器如下图：

图中同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线。

3、截止频率fL与fH的测量

A、在幅频特性曲线的显示区域空白处右击，弹出如下菜单：

点击Show/hidecursers，出现如下画面，画面中出现蓝色光标1和黄色光标2。

将黄色光标2拖到幅频特性曲线的平坦处，在表格中X2可以得到该光标位置的频率，Y2处可以得到对应的信号幅值。

移动蓝色光标1如图所示的位置，使其对应的信号幅值Y1=70％Y2，则X1的值就是高端截止频率fH。

同样可测量低端截止频率fL。

二、50HZ陷波器

50HZ陷波器在前置放大之后。

50HZ陷波器是一个带组滤波器。

1、陷波器通带增益测试。

注意信号源的频率应设置在陷波器的通带。

2、陷波器幅频特性测试

输入幅值1V的正弦信号，即在交流分析中将信号源的ACAnalysisMagnitude设置为1V。

如下图所示。

测试如下参数：

低端截止频率

中心频率

中心频率处信号幅值

高端截止频率

阻带带宽

三、低通滤波器

采用五阶巴特沃思低通滤波，其电路图如下：

有归一化计算可得参数如下：

选取截止频率为500HZ，R=10K，FSR=2*3.14*500=3140

由公式

得：

C1=0.0558uF,C2=0.0431uF,C3=0.0134uF,C4=0.103uF,C5=0.00984uF

实际选取：

C1=0.056uF,C2=0.047uF,C3=0.01uF,C4=0.1uF,C5=0.01uF

1、通带增益测试

2、交流分析

:

输入端电压幅值为1V，测得输出端电压数据如下

频率HZ

300

400

450

500

550

600

700

800

电压幅值V

四后级放大电路

1、后级放大电路增益测试

原设计中的放大倍数为8000~9600倍，实际并不需要这么大的放大倍数，前级已放大了600倍，这里放大2~4倍，实验中选取放大三倍，整体放大为1800倍，能够在示波器上观察到肌电信号。

2、交流分析

实验报告要求

单元电路测试数据

1、前置放大器单元电路测试数据

Vo

等效输入噪声

差摸着增益

共模增益

共模抑制比

输入阻抗

输出阻抗

低端截止频率

高端截止频率

2、陷波器单元电路测试数据

输入端电压幅值为1V

低端截止频率

中心频率

中心频率处信号幅值

高端截止频率

阻带带宽

通带增益：

3、低通滤波器电路测试数据

输入端电压幅值值为1V

频率HZ

300

400

450

500

550

600

700

800

电压幅值V

通带增益：

4、后级放大器增益与低端截止频率