測量電路課設(shè)于洪斌王家斌

1、護山丈禽課程設(shè)計說明書題目:肌電信號測量學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級專業(yè): 學(xué) 號: 學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師:08級醫(yī)療儀器1班080103040048、 080103040030于洪斌、王家斌教師職稱:燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：電子實驗中心學(xué)號080103040030學(xué)生姓名王家斌專業(yè)（班級）08級醫(yī)療儀器1班學(xué)號080103040048學(xué)生姓名于洪斌專業(yè)（班級）08級醫(yī)療儀器1班設(shè)計題目肌電信號測量設(shè)計要求學(xué)會使用multisim軟件。掌握濾波電路、放大電路、50hz陷波電路等。掌握測量電路的整體結(jié)構(gòu)及各項功能。工 作 量學(xué)會使用multisiml軟件

2、；獨立完成電路設(shè)計，仿真電路和調(diào)試；參加答辯并書寫任務(wù)書。工 作 計 劃1. 了解測量電路的基本知識，學(xué)習(xí)使用軟件multisim,下發(fā)任務(wù)書，開始 測控電路電路設(shè)計；2. 查找相關(guān)資料；3. 完成電路設(shè)計；4. 仿真電路調(diào)試，得出仿真結(jié)果；5. 答辯并書寫任務(wù)書。參 考 資 料電子電路的multisim仿真實踐劉貴棟主編，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社； 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計原理鄧親愷主編，科學(xué)出版社醫(yī)學(xué)出版分社；指導(dǎo)老師趙勇2011 年 06 月 17 h目錄第一章概述41設(shè)計目的及應(yīng)用范圍42肌電信號研究的意義43 表面肌電信號的特征4第二章.電路設(shè)計總體概述5第三章.單元電路51電極52 .前置放大

3、電路63 隔離放大電路74 低通濾波電路85 后級放大電路9650hz陷波電路107 交直流轉(zhuǎn)換電路116 dc/dc 模塊11第四章.課程設(shè)計總結(jié)12參考文獻12測電路課程設(shè)計一. 概述：1. 設(shè)計目的及應(yīng)用范圍：本電路目的在于采集人體表而肌電信號，經(jīng)過放大、濾波等信號處理 手段，最終在示波器或其他顯示儀器上得到清晰的肌電信號波形。由于采用220v交流電壓供電，不宜便攜使用。此電路主要用于醫(yī)院 等較固定醫(yī)療場所，為醫(yī)務(wù)人員對病人的癥狀分析提供客觀依據(jù)。2. 肌電信號研究的意義：肌電信號(emg)是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源，它是肌肉中許多運動 單元動作電位在吋間和空間上的疊加，反映了神經(jīng)、肌肉的

4、功能狀態(tài)，廣泛 應(yīng)用于神經(jīng)科，骨科，耳鼻喉科及口腔科，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷和康復(fù) 領(lǐng)域有重大的意義。在肌電檢測方面，以前多采用針電極插入肌肉檢測肌電圖，其優(yōu)點是 干擾小，定位性好，易識別，但由于它是一種有創(chuàng)的檢測方法，其應(yīng)用受到 一定限制。而表面肌電則是從人體皮膚表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉 活動時發(fā)放的生物電信號，屬無創(chuàng)性，操作簡單，被檢測者更易接受，受到 更廣泛的應(yīng)用。表而肌電信號的研究在如下方而有著積極的應(yīng)用和發(fā)展價值：可提 供有關(guān)能反映外周神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)的信息，如肌肉興奮的過程、興奮傳 導(dǎo)速度和傳播方向、肌肉纖維類型成分等；由于表面肌電信號可實現(xiàn)連 續(xù)長時間觀測，其在在康復(fù)工程

5、領(lǐng)域正積極地發(fā)揮其優(yōu)勢。如通過檢測人 體殘肢表面肌電信號，提収出肢體的動作特征，來自動控制假肢運動;表 而肌電信號在功能性電刺激小有較多應(yīng)用，如利用提取出的表面肌電信號 特征作為功能性電刺激的控制信號，幫助癱瘓的肢體恢復(fù)運動功能；表 面肌電信號在運動醫(yī)學(xué)屮也可發(fā)揮重要作用，通過檢測運動員運動時的表 而肌電信號，及時反映出肌肉的疲勞和興奮狀態(tài)，有助于建立科學(xué)的訓(xùn)練方 法。50ms始入電位100/v三相波雙相渡玳相波肌肉輕收編時的除境相規(guī)肉中度收編時的視合相肌肉最人收縮時的干擾相3. 表面肌電信號的特征： 肌電信號是一種很微弱的電信號，加之皮膚和組織 對肌電均有衰減作用，在皮膚表面測得的表面肌電

6、信號比針電極記錄的信號更微弱，也更易受干擾影 響。實驗表明，表面肌電信號的幅度具有隨機性，可 表示為準(zhǔn)高斯分布函數(shù)。信號幅度峰峰值為06 mv,方差為01.5mvo信號的有用能量(指信號 能量高于電子噪聲水平)在0500 hz的頻率范圍， 主要集中在50150 hz的范圍。檢測和記錄表面肌 電信號，需考慮的主要問題是盡量消除噪聲和干擾 的影響，提高信號的保真度。二.電路設(shè)計總體概述：1總體設(shè)計參數(shù)：總增益：a=1000 （接近1000即可）；帶寬：10hz500hz；共模抑制比（cmrr） >80db （最好100db以上）。2.電路組成框圖如下：電 極=>前置放大電路隔離 放大

7、電路供電電路：（交直流轉(zhuǎn)換）220v交流供電=>交直 流轉(zhuǎn) 換土 5v貢流供電三.單元電路：1.電極：電極單元（電極和前置放大器）的設(shè)計是肌電信號檢測的關(guān)鍵。設(shè)計電極 單元應(yīng)盡量減小信號失真，提高信噪比。在設(shè)計時可考慮采取以下措施：（1）前置放大器采用差分結(jié)構(gòu)（因為測量時電極之間距離較近，工頻干擾 一般表現(xiàn)為共模電圧信號，所以可以通過采用差分結(jié)構(gòu)提高放大系統(tǒng)的共 模抑制能力。）；（2）提高前置放大器的輸入阻抗；（3）盡可能縮小電 極與前置放大器i'可距離（最好做到電極與前置放大器一體化）；（4）選 用性能穩(wěn)定的電極。本次試驗采用ag / agci表血電極，其極化電壓很小，能很快穩(wěn)

8、定下來，有 利于肌電信號的檢測。2.前置放大電路:(1) 保護電路：由電阻rl、r2、二極管d1-d4組成，左端接地，右端接 到右腿驅(qū)動電路。保護電路要求在輸入出現(xiàn)5000v高壓時不會損毀 電路，二極管選用低漏電的微型二極管in4148,其最大允許通過的 瞬時電流為100ma,因此，限流保護電阻選擇rl=r2=50kqo(2) 高通濾波電路：由電阻r3、r4和電容cl、c2組成。采用無源高通 濾波器以抑制電極噪聲(極化電壓)以及10hz下頻段的非肌電(干 擾)信號，同時可以保證最大限度地提高前置放大器的增益。此部 分設(shè)計截止頻率fc=10hz,選擇電容值為o.olpf,則由公式fc=l/(2n

9、rc) 可算的電阻值r3=r4=1.59mq,則取為1.6 mq。(3) 差動放大電路：采用并聯(lián)型雙運放儀器放大電路，由電阻r5,r6,r7 和兩個運算放大器組成。其優(yōu)點是不需要精密的電阻匹配,理論上 它的共模抑制比為無窮大,且與其外圍電阻的匹配程度無關(guān)，削減 了之前保護電路及高通網(wǎng)絡(luò)對輸入阻抗的不利影響，從而滿足了肌 電放大器高輸入阻抗的要求?？紤]到此極放大增益不宜過高，可定 為5。根據(jù)增益計算公式a=(r5+r6+r7)/r5,可取r5“0kq,r6=r7=20kqo(4) 儀用放人器：儀用放人器由芯片ad620或ltc2053構(gòu)成，是前置放 大器的核心部分，起主要的放大作用。(5) 共模

10、取樣驅(qū)動電路：由兩個等值電阻r9與r10, 只由運放構(gòu)成 的跟隨器構(gòu)成，能夠使共模信號直接加在集成放大器的輸入端，避 免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。(6) 右腿驅(qū)動電路：前接運放構(gòu)成的射極跟隨器，由電阻r8、rll. r12, 電容c3和一個運算放大器組成。在右腿接入一反向放大器，并與儀 表放大器相連，可以大大提高共模信號的抑制效果。同時減少人體位移電流的干擾。其中電容c3的主要作用是穩(wěn)定信號。參數(shù)選擇r8=10kq r11=1omq r12=100kq« c3=lpifo此外，消除肌電磁干擾的理想方法是通過屏蔽將干擾電磁隔離于測試 系統(tǒng)之外，故可在電路中采

11、収適當(dāng)?shù)钠帘未胧?，將前置放大單獨做成一個 電路板，放到金屬盒內(nèi)進行屏蔽處理，或直接將前置放人電路部分罩于金 屈網(wǎng)中。同時為達到較為徹底的濾波效果，也可以在保護電路的四個二極 管之前加入兩個適當(dāng)?shù)碾娙?類似教材中的前置放大電路)，構(gòu)成無源低通 網(wǎng)絡(luò)，先濾掉一部分的高頻雜波。3隔離放大電路：所謂隔離，就是在信號傳輸電路中，在保證信號傳輸通暢的前提下，同時 切斷輸出電路與輸入電路之間在電氣上的直接聯(lián)系。隔離可以分為調(diào)制型 隔離和光電型隔離兩大類，大多數(shù)隔離放大器就屬于調(diào)制型隔離。本實驗 電路選擇隔離放大器，主要是因為考慮到隔離放大器外周電路簡單，只用 一-塊芯片即可實現(xiàn)前后電路隔離目的。而選用光電耦

12、合器，成本很低，但 是需要連接外周電路，選擇參數(shù)，很可能效果不如隔離放大器好。目前隔離放大器芯片主要有adi公司、ti公司和惠普等公司的產(chǎn)品。經(jīng)過對 比發(fā)現(xiàn)，adi公司的隔離放大器芯片幾乎都是采用±15v或者+15v電源供電, 不符合我設(shè)計的±5v供電額定電壓。而ti公司的iso124隔離放大器不論是供 電范圍，還是性能參數(shù)，都符合我的設(shè)計。因此我選用這款隔離放大器。%1o 216gnd 1vs1215vinvout710vs2gnd289iso124封裝，電路連接及其部分特征參數(shù) 如下： 其中，士vs1與經(jīng)過dc/dc轉(zhuǎn)換器的電源相連，與輸入端的電路共地。±vs

13、2 直接與交直流轉(zhuǎn)換電路輸出的±5v電源相連，與輸出端電路工地。(1) 無需外部元件即可實現(xiàn)功能；(2) 供電范圍：±4.5v±18v(3) 小信號帶寬：50khz4.低通濾波電路:電路由三個二階低通濾波電路接連而成。參數(shù)如圖屮所標(biāo)注。 此電路設(shè)計截止頻率fc=500hz,增益為1,即只濾波，不放人。5.后級放大電路：電路連接如圖：(1) 設(shè)計增益a=rr1=2；(2) 采用反向放大器，更加穩(wěn)定；(3) 參數(shù)選擇如圖：rl=16kq; r2=32kq; r3=10 kq; cl=lpf;運算放大器 lm324采用±5v供電。(4) cl和r1共同構(gòu)成高通

14、濾波環(huán)節(jié)，消除直流電流影響。設(shè)計截止頻率fc=l/(2nrlcl)=10hzomultisim結(jié)果圖doo*st大電路o o o2020i6. 50hz陷波電路：最后一個環(huán)節(jié)設(shè)計為50hz陷波環(huán)節(jié)。由于采用交流供電，50hz工頻干擾是噪聲信號屮最主要的成分，因此陷波 效果直接影響信噪比的高低。經(jīng)過資料搜集了解到，50hz陷波的方法較多， 可以采用數(shù)字信號范圍內(nèi)的陷波，也可以直接在模擬信號范圍內(nèi)通過電路 陷波。但是要獲得較好的效果，都比較麻煩。如果通過數(shù)字信號處理陷波, 需要涉及a/d轉(zhuǎn)換，單片機編程和d/a轉(zhuǎn)換部分，這樣使得電路體積大增。 如果在模擬信號范圍內(nèi)陷波，除了熟知的雙t型陷波電路外，

15、述有一些其他 的電路，比如基于bb公司的uaf42芯片兩極陷電路，mxt050陷波模塊等。 但是這些電路都不能在±5v電源下驅(qū)動，如果采用，必然需要相應(yīng)的dc/dc 模塊配合，在加上本身電路的復(fù)雜，都會大大增加總體電路體積。同時會 耗費大量吋間，造成無法在規(guī)定吋間內(nèi)完成電路焊接和調(diào)試。因此，綜合考慮，本電路還是采用雙t型50hz陷波電路。圖中l(wèi)m324都采用±5v供電。信號由1端輸入，2端輸出。其中： 陷波中心頻率：fo =l/2nrc品質(zhì)因數(shù)：q=l/4（1 p）考慮到雙t陷波電路對元件參數(shù)匹配要求較高，可在選用較高精度的電阻和 電容，連接時先用萬用表測得阻值，盡量匹配精

16、確。在r4處為一電位器， 可調(diào)節(jié)q值大小，改善陷波效果。同時可用金屬絲網(wǎng)或者屏蔽盒蓋在陷波 電路表面，也可能減小干擾，利于改善陷波效果。7.交直流轉(zhuǎn)換電路：本電路采用220v交流供電，而電路屮芯片全部需用±5v直流電壓供電，所 以電路中必須冇交直流轉(zhuǎn)換電路，將220v的交流電轉(zhuǎn)換為±5v的直流電輸 出。采用如下交直流轉(zhuǎn)換電路：78057905該轉(zhuǎn)換電路包括變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。（1）變壓環(huán)節(jié)：由實驗室提供變壓器；（2）整流環(huán)節(jié)：釆用橋式整流電路。此部分不準(zhǔn)備自己用四個二極管連接, 而用kbp307橋式整流模塊接入；（3）濾波環(huán)節(jié)：由四個電容構(gòu)成，取值如圖；（4）穩(wěn)壓環(huán)

17、節(jié)：由于輸出電壓設(shè)計為±5v,故采用7805和7905穩(wěn)圧管，其 額定輸出電壓分別為+5v和5v。8. dc/dc 模塊：dc/dc模塊主耍用于不同直流電壓之間的變換，也可以起到隔離輸入輸出 端電壓干擾、電流噪聲的作用。本電路中，不需要直流電壓的幅值調(diào)節(jié)， 故dc/dc模塊只起隔離前后影響的作用。選用ti公司的dcp010505d微型1w隔離dc/dc轉(zhuǎn)換器。 其模塊封裝如右圖：pin #pin namedescription1vsvoltage input.2ovinput side common5ovoutput side common.6令 voutvoltage out.7-vovr-voltage out.8sync"unregulated 400khz cxrtput from transformer.14syngnsynchronization pin0vsyn5syncqut管腳釋義如下表：部分參數(shù)如下：(1) 效率：最大85%；(2) looovrms 隔離(3) 400khz 轉(zhuǎn)換電路連接如下：其中：vsupply端接到父直流轉(zhuǎn)換電路的+5v輸lb端；+vout和vout分別輸出+5v和5v,對隔離放大器之前的電路供電，二者與隔 離放大器之前的電路共地；上圖左邊的地com與隔離放大器z后的電路共地。按上述方法連