肌电放大电路设计方案报告.doc

肌电放大电路（电池供电）设计汇报

天津大学精仪学院
04级生物医学工程一班
-王昊博

一、设计目标及意义
肌电是人体肌肉、神经兴奋产生生物电结果。利用肌电信号能够达成很多目标，比如利用肌电控制假肢、肌电刺激诊疗肌肉萎缩、在体育活动中诊疗肌肉力量和肌肉疲惫等等。表面肌电则是从人体皮肤表面经过电极统计下来神经肌肉生物电信号,含有没有创性,操作简单优点,有着广泛应用前景。

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。
存在干扰：表面电极极化电压（几十个mV）,50Hz工频干扰，器件本身噪声。
带通：5～500Hz

设计中考虑问题：
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信号放大到能够观察量级。
2、即使整个系统由电池供电，但因为产品关键在室内使用，而且调试时需要用到信号源作输入，所以仍然要采取方法预防50Hz电场干扰。
3、放大器前置级应低噪声、低漂移。放大器噪声决定了放大器能检测到微弱信号下限。肌电幅值下限为20μV，所以在电极短路时噪声幅度应在10μV以下。最好能达成5μV。
4、为消除极化电压，电极阻抗缓慢改变及测量时电极移动造成伪迹，前置级应设有隔直电路（高通网络消除低频干扰。
5、电路共模抑制比应尽可能高，通常要求80dB以上，最好能达成100dB。
6、采取共模驱动电路避免由参数不匹配带来共模干扰变成差模干扰从而和肌电信号相混杂问题，同时能够提升共模输入阻抗（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。采取表面电极时，肌电信号能量集中在500Hz以下，本设计采取三阶巴特沃思滤波器。
8、肌电作为信号源内阻很大，常常达成1000KΩ以上，所以放大器输入阻抗必需在几MΩ以上。
9、电阻噪声关键有热噪声和低频噪声（噪声），噪声转折频率为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许可串连任何额外电阻。
10、采取电池供电，所以必需选择低功耗或微功耗器件，电阻在许可范围内选择阻值尽可能大，降低整体功耗。
依据以上分析系统设计以下：
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：并联差动放大器组成前级放大器，仪用放大器组成后级放大器、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共模抑制比为无穷大，理想情况是指A1/A2共模抑制比相匹配，通常来说电阻精度和阻值对这一部分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尤其大。
2、仪用放大器由高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声器件AD620组成，因为阻容耦合电路隔直作用，能够得到高增益。
3、阻容耦合电路（时间常数电路）在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。

参数和元件选择：
1、A1～A4 选择LM324，增益为20倍。它能够工作在5V电源时功耗为mW级，符合低功耗要求。
2、A5选择低噪声仪器放大器AD620作为前置放大器关键元件抑制放大器本身噪声，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：图，采取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。

两个滤波器采取低功耗运算放大器LM324，含有价格低廉，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陷波器采取正反馈有源双T带阻滤波器，该电路Q值伴随反馈系数β增高而增大。Q和β关系式以下：Q＝
Q值选择在12.5～15之间,经过10K电位器来实现调整功效。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
采取放大4倍反相放大器，前面用一个0.1μF电容起到低通隔直滤波作用，截止频率f0=1/2πRC＝1.9Hz。

四、小结
本设计利用模电数电基础原理设计了一个可用于肌电信号测量电路，设计由四部分组成：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基础结构，还存在很多不完善地方，真正肌电放大器还有增益选择档，能够调整。用示波器观察输出也不如采取单片机把模拟信号转换为数字信号再处理来得正确可靠，这些能够在下一步学习中继续完善。
相关后级A/D转换及数字信号处理部分，其关键器件可选择ADI企业Σ一A型AD7708芯片。它是ADI企业一个多信道16位ADC，支持4或5信道全差分输入和8或10信道伪差分输入。关键由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。含有(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基础上继续进行滤波和数据分析，能达成量化肌电信号目标。