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肌电放大电路设计报告

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2020年4月19日
文档仅供参考

肌电放大电路（电池供电）设计报告

天津大学精仪学院
04级生物医学工程一班
-王昊博

一、设计目的及意义
肌电是人体肌肉、神经兴奋产生生物电的结果。利用肌电信号能够达到很多目标，例如利用肌电控制假肢、肌电刺激治疗肌肉萎缩、在体育活动中诊断肌肉力量和肌肉疲劳等等。表面肌电则是从人体皮肤表面经过电极记录下来的神经肌肉的生物电信号,具有无创性,操作简单的优点,有着广泛的应用前景。

二、系统设计
肌电信号特征：幅值小，15～100μV；信号频谱宽10～1000Hz；脉冲时间0.6～20ms。
存在的干扰：表面电极极化电压（几十个mV）,50Hz工频干扰，器件本身的噪声。
带通：5～500Hz

设计中考虑的问题：
1、肌电信号幅值居中，前置级增益300，主放增益4。能够把20μV~100μV的信号放大到能够观察的量级。
2、虽然整个系统由电池供电，但因为产品主要在室内使用，而且调试时需要用到信号源作输入，因此依然要采取措施防止50Hz电场干扰。
3、放大器前置级应低噪声、低漂移。放大器的噪声决定了放大器能检测到的微弱信号的下限。肌电幅值下限为20μV，因此在电极短路时的噪声幅度应在10μV以下。最好能达到5μV。
4、为消除极化电压，电极阻抗缓慢变化及测量时电极移动造成的伪迹，前置级应设有隔直电路（高通网络），消除低频干扰。
5、电路的共模抑制比应尽可能高，一般要求80dB以上，最好能达到100dB。
6、采用共模驱动电路避免由参数不匹配带来的共模干扰变成差模干扰从而和肌电信号相混杂的问题，同时能够提高共模输入阻抗（右腿驱动电路）
7、为避免信号失真，在通频带内增益应保持一致，即幅值平滑。采用表面电极时，肌电信号能量集中在500Hz以下，本设计采用三阶巴特沃思滤波器。
8、肌电作为信号源内阻很大，常常达到1000KΩ以上，因此放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上。
9、电阻噪声主要有热噪声和低频噪声（噪声），噪声的转折频率为1.8Hz，作为带宽要求5Hz～500Hz，噪声能够排除在外。为减小热噪声，电阻值也应尽可能小，设计中前级放大输入端也不允许串连任何额外电阻。
10、采用电池供电，因此必须选用低功耗或微功耗的器件，电阻在允许范围内选择阻值尽可能大的，降低整体功耗。
根据以上分析系统设计如下：
w 总放大倍数1200
w 通带：5Hz～500Hz
w 噪声10μV以下
w 共模抑制比80dB以上

系统框图：

三、单元电路设计
1、前置放大器部分

前置放大器分为四部分：并联差动放大器构成前级放大器，仪用放大器构成后级放大器、阻容耦合电路，右腿驱动电路。

1、并联差动放大器在理想情况下的共模抑制比为无穷大，理想情况是指A1/A2的共模抑制比相匹配，一般来说电阻的精度和阻值对这一部分的共模抑制比影响不大，但输入阻抗因为前级放大器为反相而不会特别大。
2、仪用放大器由高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声的器件AD620构成，因为阻容耦合电路的隔直作用，能够得到高增益。
3、阻容耦合电路（时间常数电路）位于并联差动放大器和仪用放大器之间，作为一个高通网络去掉了极化电压。截止频率f0=1/2πRC＝5Hz。同时R6/R7作仪用放大器的输入直流通道，为仪用放大器提供偏置电流，使电路能正常工作。
4、右腿驱动电路使用共模驱动技术，把信号地和信号相关联，去掉了共模电压。

参数和元件的选择：
1、A1～A4 选用LM324，增益为20倍。它能够工作在5V电源时。功耗为mW级，符合低功耗的要求。
2、A5选用低噪声仪器放大器AD620作为前置放大器核心元件抑制放大器本身的噪声，增益为15倍，带宽大于500Hz。
3、前置级增益为20×15＝300倍，带有右腿驱动电路和高通网络。截止频率f0 =5Hz。
共模抑制比
110dB以上
带宽
12KHz(1000V/V)
输入噪声电压
9nV（10KHz）
输入噪声电流
72nV（10KHz）
电源电压
2.3～18V（双电源）
功耗
650mW

2、低通滤波器部分
方案一：如图，采用巴特沃思三阶低通滤波器，截止频率500Hz。利用归一化计算参数为R1=R2=16K,C1=0.02μF,C2=0.04μF,C3=0.01μF。

两个滤波器采用低功耗运算放大器LM324，具有价格低廉，电源电压范围宽，静态功耗小，当电源电压为5V时，功耗约为15 mW。

3、50Hz陷波器部分
50Hz陷波器采用正反馈的有源双T带阻滤波器，该电路的Q值随着反馈系数β的增高而增大。Q与β的关系式如下：Q＝
Q值选择在12.5～15之间,经过10K的电位器来实现调节功能。电路中R和C满足以下关系：R= ,C取0.1μF,计算得R=31.8KΩ。
：

4、主放大器部分
采用放大4倍的反相放大器，前面用一个0.1μF的电容起到低通隔直滤波作用，截止频率f0=1/2πRC＝1.9Hz。

四、小结
本设计运用模电数电基本原理设计了一种可用于肌电信号测量的电路，设计由四部分构成：1、前置放大器 2、低通滤波器 3、50Hz陷波器 4、主放大部分。经过电极从人体采集肌电信号，经过电路放大后显示在示波器上。
上述设计只是肌电放大器的基本构造，还存在许多不完善的地方，真正的肌电放大器还有增益选择档，能够调节。用示波器观察输出也不如采用单片机把模拟信号转换为数字信号再处理来得准确可靠，这些能够在下一步的学习中继续完善。
关于后级的A/D转换及数字信号处理部分，其核心器件可选择ADI公司的Σ一A型AD7708芯片。它是ADI公司的一种多信道16位ADC，支持4或5信道全差分输入以及8或10信道伪差分输入。主要由1个输入多路复用器、2个缓冲器、1个PGA、Σ一AADC、串行接口控制逻辑及片上锁相环组成。具有(1)高精度，(2)可选择测量范围，(3)低功耗，(4)体积小，等特点，适于设计要求。而且可在实现数字化的基础上继续进行滤波和数据的分析，能达到量化肌电信号的目的。