前臂表面肌电信号调理采集电路.docx
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前臂表面肌电信号调理采集电路
《电子技术》课程设计报告
课题：
前臂表面肌电信号调理采集电路
班级电科1121班学号16
学生姓名吴天驰
专业电子科学与技术
系别电子与电气工程学院
指导教师电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2014年6月
1设计目的
a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
d）培养学生的创新能力。
2设计要求
表面肌电信号是一种微伏级的微弱信号。
频率范围为5-500Hz。
采集过程包括：
拾取、放大、调理、模数转换等环节。
3总体设计
初步放大
模数转换
陷波-滤波-放大
银/氯化银数字输出
电极
图1前臂表面肌电调理采集电路框图
总体设计框图
图3-1为前臂表面肌电调理采集电路框图。
该前臂表面肌电调理采集电路由以下几部分组成：
（1）初级放大电路
（2）50Hz模拟陷波电路（3）10Hz高通滤波电路（4）50Hz低通滤波电路（5）绝对值放大电路（6）A/D转换电路
电路组成图及工作原理
图2初级放大电路
100Hz模拟陷波电路100Hz高通滤波电路
图3
100Hz低通滤波电路绝对值放大电路
图4
采集电路工作原理
考虑到表面肌电信号是一种μV级微弱信号,为了提高信号的信噪比,电极拾取的信号须经过初级放大。
初级放大电路和拾电电极共同封装成表面肌电信号传感头,并通过低噪声信号线外部引线接到后续处理电路中。
由于表面肌电信号传感器空间十分有限,所以初级放大电路要求尽量简单。
初级放大电路采用差分式设计,电路图如图2所示,其中,节点MIDGND为+;R2,R4,C2组成一个简易的低通滤波器;C3,R5,R6,C4则是一个高通滤波器。
高倍放大前的低通滤波可滤除部分噪声,高通滤波则可滤除直流信号,以防在高倍放大时使运放达到饱和状态。
调理电路工作原理
从残臂表面采集的表面肌电信号微弱（一般0~6mv）,易受到残臂肌肉自身、信号采集系统、肢体所处的外界环境等诸多因素的干扰。
设计信号调理电路对采集表面肌电信号进行工频去噪、高通滤波及低通滤波等处理,以获得较干净的表面肌电信号,为后期的肢体运动模式识别做好准备。
不同人或相同人不同时间下的肌肉表面采集的信号会有幅值的不稳定性,为后期的动作识别带来一定的系统误差,因此为尽量消除幅值的差异性,绝对值电路设为增益可调的放大电路,将采集的表面肌电信号调整到特定的阈值区间内进行运动模式识别。
表面肌电信号是假手进行伸腕、屈腕、展权、握拳等动作的运动控制源信号,该信号的有效处理是必要的。
各框图的功能和实现该功能的可选电路及特点
1）初级放大电路：
表面肌电信号是一种μV级微弱信号,为了提高信号的信噪比,电极拾取的信号须经过初级放大。
2）信号调理电路：
设计信号调理电路对采集的表面肌电信号进行工频去噪、高通滤波及低通滤波等处理,以获得较干净的表面肌电信号,为后期的肢体运动模式识别做好准备。
3）A/D转换电路：
能将模拟量转换成数字量的电子电路,简称ADC或A/D。
模数转换器是利用数字系统分析、处理。
4）银/氯化银电极：
由表面覆盖有氯化银的多孔金属银浸在含Cl⁻的溶液中构成的电极，电势稳定，重现性很好，是常用的参比电极。
它的标准电极电势为+（25℃）。
优点是在升温的情况下比甘汞电极稳定。
电路制作所需的工具
表3-1
工具名称
工具数量
电烙铁
1
万用表
1
剪刀
1
镊子
1
钳子
1
元器件列表
表3-2
元件名称
元件数量
TL084
2
TL082
1
AD574
1
AT89S52
1
MAX232
1
36MHz晶体谐振器
1
510电阻
1
1K电阻
2
2K电阻
5
电阻
1
10K电阻
8
20K电阻
4
30K电阻
1
51K电阻
2
68K电阻
2
82K电阻
1
100K电阻
1
300K电阻
2
1M电阻
2
电阻
1
电容
1
200pF电容
1
电容
4
电容
2
电容
2
电容
2
钽电容
1
4单元电路设计
TL084芯片
·宽共模（向上到Vcc+）和微分电路（VOLTAGERANGE）
·低输入偏置电流和偏置电流
·输出短路保护
·具有结型场效应管（J-FET）高输入阻抗
·内部频率补偿
·锁存的自由操作
·高压摆率：
16V/μs（典型值）
描述说明：
该TL084，TL084A和TL084B是四输入运算放大器与高速J–FET（结型场效应管）的结合良好的匹配，高电压的J-FET和双极晶体管电路在一个单片回路范围。
这些器件具有高转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数。
图5TL084引脚图
1号引脚：
输出端114号引脚：
输出端4
2号引脚：
反相输入端113号引脚：
反相输入端4
3号引脚：
正相输入端312号引脚：
正相输入端4
4号引脚：
电源正极11号引脚：
电源负极
5号引脚：
正相输入端210号引脚：
正相输入端3
6号引脚：
反相输入端29号引脚:
反相输入端3
7号引脚:
输出端28号引脚：
输出端3
芯片
TL082是一通用的J-FET双运算放大器。
其特点有：
较低的输入偏置电压和偏移电流；输出设有短路保护；输入级具有较高的输入阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。
最大工作电压：
VCCmax=+-18V。
图6引脚及功能说明
1号引脚：
输出端18号引脚：
电源正极
2号引脚：
反相输入端17号引脚：
输出端2
3号引脚：
正相输入端16号引脚:
反相输入端2
4号引脚:
电源负极5号引脚：
正相输入端2
A/D转换器AD574
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LSB或±1LSB
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和15V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
图7AD574引脚图
AD574A的引脚说明：
[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].Pin2（12/8）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
[3].Pin3（CS）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（R/C）——读转换数据控制端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。
[9].Pin9（AGND）——模拟地端。
[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。
[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。
[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。
[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。
[15].Pin15（DGND）——数字地端。
[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。
通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。
[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。
AD574A的CE和A0对其工作状态的控制过程。
在CE=1、CS=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/C=0时A/D转换，当R/C=1是进行数据读出。
和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。
当R/C=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和R/C控制数据输出状态的格式。
当R/C=1时，数据以12位并行输出，当R/C=0时，数据以8位分两次输出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
AD574A的工作模式：
以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。
陷波、滤波部分
陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一相（换相）时产生的周期性电压扰动。
用在电路上滤除不需要的频率的信号，在带通滤波器通频带的边缘外加陷波器，串联一个并联谐振回路，或并联一个串联回路，它们的谐振频率就是要滤除的频率
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。
是根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。
用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率
特性实现对信号中频率成分的选择。
根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。
1、当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。
2、当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。
5调试
总的来看，从函数信号发生器引入正弦信号，每块芯片上的电源引脚连上电源，接地端接地。
我们分步进行调试。
每一块集成块分开单独调试，用万用表测量，判断是否短路，是否会出现虚焊、漏焊现象。
查看线路是否连接正确，避免连线脱落造成断路，以及少连，多连的情况。
6电路测试及测试结果
先检查线路是否短路，断路，是否有虚焊。
按原理图，接上所有元器件，接通电源，每块芯片引脚正确接通电源和接地。
从函数信号发生器中产生幅值为3mV，频率为100Hz的正弦波，接入初级放大电路。
在输出端连接示波器，通过示波器上的图像观察出为正弦信号。
选择示波器上的参数显示功能，获得波形频率为100Hz,幅值为87mV。
7设计总结
通过本次课程设计，我们掌握了前臂表面肌电信号采集电路的设计原理，更加巩固地了解了TL084,TL082，AD574等元器件的使用。
调试时，应先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会烧坏元器件。
应注意输入输出关系，测试实验值与理论计算值是否一致。
最后再整体调试焊接时，把各集成块从插座上拔下，以免电烙铁加热时将集成块烧坏，要保证各接口都接触稳定。
应注意焊脚之间保持适当间距，避免短路，焊好接点后，要用万用表欧姆档测试端口之间是否虚焊，在焊电容时，电烙铁头不宜电容针脚上加热太长时间，这样电容易损坏。
本次课程设计，培养了我们综合运用理论知识解决实际问题的能力，让我们懂得了理论联系实际的重要，为以后的学习和工作起到了促进作用。
也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的积极性。
总体来说在本次设计的过程中，我收获了很多，同时也发现不少的问题，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
8参考文献
1.康华光电子技术基础数字部分，北京：
高等教育出版社，2000
2.张宪张大鹏万用表检测电子原器件化学工业出版社，2009
3.曲峰运动员表面肌电信号与分形·北京体育大学出版社，2008
4.杨新亮智能肌电假手的多传感器信息系统研究，杭州科技大学，2012
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