肌电放大器（220 V交流供电）电路设计报告 设计者：杨骏08精仪生物

1、肌电放大器（220 V交流供电）电路设计报告设计者：杨骏 08精仪生物医学工程1班 3008202316导师：李刚 教授一 概述：1 设计目的及应用范围：本电路目的在于采集人体表面肌电信号，经过放大、滤波等信号处理手段，最终在示波器或其他显示仪器上得到清晰的肌电信号波形。由于采用220V交流电压供电，不宜便携使用。此电路主要用于医院等较固定医疗场所，为医务人员对病人的症状分析提供客观依据。2 肌电信号研究的意义：肌电信号( EMG) 是产生肌肉力的电信号根源, 它是肌肉中许多运动单元动作电位在时间和空间上的叠加, 反映了神经、肌肉的功能状态, 广泛应用于神经科,骨科,耳鼻喉科及口腔科,在基础医

2、学研究、临床诊断和康复领域有重大的意义。在肌电检测方面，以前多采用针电极插入肌肉检测肌电图, 其优点是干扰小, 定位性好, 易识别, 但由于它是一种有创的检测方法, 其应用受到一定限制。而表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号, 属无创性, 操作简单, 被检测者更易接受,受到更广泛的应用。表面肌电信号的研究在如下方面有着积极的应用和发展价值：可提供有关能反映外周神经肌肉功能状态的信息, 如肌肉兴奋的过程、兴奋传导速度和传播方向、肌肉纤维类型成分等；由于表面肌电信号可实现连续长时间观测，其在在康复工程领域正积极地发挥其优势。如通过检测人体残肢表面肌电信号, 提

3、取出肢体的动作特征, 来自动控制假肢运动；表面肌电信号在功能性电刺激中有较多应用, 如利用提取出的表面肌电信号特征作为功能性电刺激的控制信号, 帮助瘫痪的肢体恢复运动功能；表面肌电信号在运动医学中也可发挥重要作用, 通过检测运动员运动时的表面肌电信号,及时反映出肌肉的疲劳和兴奋状态, 有助于建立科学的训练方法。3 表面肌电信号的特征：肌电信号是一种很微弱的电信号,加之皮肤和组织对肌电均有衰减作用, 在皮肤表面测得的表面肌电信号比针电极记录的信号更微弱, 也更易受干扰影响。实验表明, 表面肌电信号的幅度具有随机性, 可表示为准高斯分布函数。信号幅度峰峰值为06 mV, 方差为01. 5 mV。信

4、号的有用能量( 指信号能量高于电子噪声水平) 在0500 Hz 的频率范围, 主要集中在50150 Hz的范围。检测和记录表面肌电信号, 需考虑的主要问题是尽量消除噪声和干扰的影响, 提高信号的保真度。二 电路设计总体概述：1.总体设计参数：总增益：A=1000（接近1000即可）；带宽：10Hz500Hz；共模抑制比（CMRR）>80dB（最好100dB以上）。2.电路组成框图如下：50HZ陷波电路后级放大电路低通滤波电路隔离放大电路前置放大电路电极隔离环节之后的电路供电电路：（交直流转换）±5V直流供电交直流转换220V交流供电隔离环节之前的电路DC/DC三 单元电路：1.

5、 电极：电极单元( 电极和前置放大器) 的设计是肌电信号检测的关键。设计电极单元应尽量减小信号失真, 提高信噪比。在设计时可考虑采取以下措施: （1）前置放大器采用差分结构（因为测量时电极之间距离较近，工频干扰一般表现为共模电压信号，所以可以通过采用差分结构提高放大系统的共模抑制能力。）；（2） 提高前置放大器的输入阻抗；（3）尽可能缩小电极与前置放大器间距离（最好做到电极与前置放大器一体化）；（4） 选用性能稳定的电极。本次试验采用AgAgCl 表面电极，其极化电压很小，能很快稳定下来，有利于肌电信号的检测。2. 前置放大电路：本单元由保护电路，高通滤波电路，差动放大电路，仪用放大器，共模取

6、样驱动电路，右腿驱动电路组成。各部分电路功能及参数选择如下：（1） 保护电路：由电阻R12、R13、二极管D1-D4组成，左端接地，右端接到右腿驱动电路。保护电路要求在输入出现5000V高压时不会损毁电路，二极管选用低漏电的微型二极管IN4148，其最大允许通过的瞬时电流为100mA，因此，限流保护电阻选择R1=R2=50k。（2） 高通滤波电路：由电阻R1、R2和电容C1、C2组成。采用无源高通滤波器以抑制电极噪声（极化电压）以及10Hz一下频段的非肌电（干扰）信号，同时可以保证最大限度地提高前置放大器的增益。此部分设计截止频率fc=10Hz，选择电容值为0.01F,则由公式fc=1/(2R

7、C)可算的电阻值R1=R2=1.59M，则取为1.6 M。（3） 差动放大电路：采用并联型双运放仪器放大电路，由电阻R3,R4,R5和两个运算放大器组成。其优点是不需要精密的电阻匹配,理论上它的共模抑制比为无穷大,且与其外围电阻的匹配程度无关，削减了之前保护电路及高通网络对输入阻抗的不利影响，从而满足了肌电放大器高输入阻抗的要求。考虑到此极放大增益不宜过高，可定为5。根据增益计算公式A=(R3+R4+R5)/R3,可取R3=10k，R4=R5=20k。（4） 仪用放大器：仪用放大器由芯片AD620或LTC2053构成，是前置放大器的核心部分，起主要的放大作用。芯片AD620情况如下：主要性能指

8、标：单电阻设置增益范围（11000）；宽工作电压：±2.3V±18V；输入失调电压50V；输入失调漂移最大为0.6V/；共模抑制比100dB当G=100时可达130dB；偏置电流为0.5nA；低噪声。峰峰值0.28V（0.1Hz10Hz）；本电路中取此部分增益A=100，则算的RG=499。芯片LTC2053情况如下：电路连接图如右图。主要性能指标： 双电阻设置增益范围； 宽工作电压：2.7V ±5.5V 输入失调电压10V； 输入失调漂移最大为50nV/； 共模抑制比（CMRR）=116dB(与增益大小无关) 典型噪声： 2.5VP-P (0.01Hz to 1

9、0Hz)本电路中取增益A=100，则取R2=100k，R1=1k。此外还有INA118等典型的仪用放大器芯片可供选择。试验中将根据实测检验情况确定使用芯片型号。此设计报告首选LTC2053芯片。（5） 共模取样驱动电路：由两个等值电阻R6与R7，一只由运放构成的跟随器构成，能够使共模信号直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。（6） 右腿驱动电路：前接运放构成的射极跟随器，由电阻R9R11,电容C3和一个运算放大器组成。在右腿接入一反向放大器，并与仪表放大器相连，可以大大提高共模信号的抑制效果。同时减少人体位移电流的干扰。其中电容C3的主要作用是稳

10、定信号。参数选择R9=10k R10=10M R11=100k。C3=1F。此外，消除肌电磁干扰的理想方法是通过屏蔽将干扰电磁隔离于测试系统之外，故可在电路中采取适当的屏蔽措施，将前置放大单独做成一个电路板，放到金属盒内进行屏蔽处理，或直接将前置放大电路部分罩于金属网中。同时为达到较为彻底的滤波效果，也可以在保护电路的四个二极管之前加入两个适当的电容（类似教材中的前置放大电路），构成无源低通网络，先滤掉一部分的高频杂波。但是加入会必然引起输入阻抗等参数的变化，所以我准备在实验时看具体效果，如果没有必要加此低通滤波环节，则不加。3. 隔离放大电路：所谓隔离，就是在信号传输电路中，在保证信号传输通

11、畅的前提下，同时切断输出电路与输入电路之间在电气上的直接联系。隔离可以分为调制型隔离和光电型隔离两大类，大多数隔离放大器就属于调制型隔离。本实验电路选择隔离放大器，主要是因为考虑到隔离放大器外周电路简单，只用一块芯片即可实现前后电路隔离目的。而选用光电耦合器，成本很低，但是需要连接外周电路，选择参数，很可能效果不如隔离放大器好。目前隔离放大器芯片主要有ADI公司、TI公司和惠普等公司的产品。经过对比发现，ADI公司的隔离放大器芯片几乎都是采用±15V或者+15V电源供电，不符合我设计的±5V供电额定电压。而TI公司的ISO124隔离放大器不论是供电范围，还是性能参数，都符合

12、我的设计。因此我选用这款隔离放大器。ISO124封装，电路连接及其部分特征参数如下：其中，±VS1与经过DC/DC转换器的电源相连，与输入端的电路共地。±VS2直接与交直流转换电路输出的±5V电源相连，与输出端电路工地。（1） 无需外部元件即可实现功能；（2） 供电范围：±4.5V±18V（3） 小信号带宽：50kHz4. 低通滤波电路：由于肌电信号主要集中在10Hz500Hz范围内，该电路必然需要低通滤波环节，滤除大于500Hz的杂波信号。该滤波环节同样采用芯片为主题，配以必须的简单外围电路。芯片选用凌力尔特公司的LTC1563-2四阶低通有

13、源滤波器。封装及部分参数如下：（1） 供电范围：3V (最低2.7V) ±5V；（2） 截止频率范围：可由外周单电阻阻值调节，范围为256Hz < fC < 256kHz。截止频率与阻值关系为R = 10k *(256kHz/fC)；（3） 低噪声：fC = 256kHz时，为60VRMS；fC = 25.6kHz 时，为36VRMS；（4） 直流偏置：< 1mV；（5） fC精确度：< ±2% 电路连接如下：左图为3.3V单电源供电条件下的低通滤波电路连接。右图为双电源供电时的电源连接要求。由于我设计的是采用±5V双电源供电的低通滤波电路

14、，所以可将二者的线路连接方式结合，采用右图的供电连接方式，接±5V，同时电阻等其他部分按左图接入。此电路设计截止频率fC=500Hz，根据公式计算得，R=5.12M。实验时根据实验室提供选择最接近的阻值接入电路。考虑到芯片申请不到的情况，设计了如下的解决方案：自己连接一个六阶巴特沃斯低通滤波电路。电路图如下：电路由三个二阶低通滤波电路接连而成。参数如图中所标注。此电路设计截止频率fC=500Hz，增益为1，即只滤波，不放大。5. 后级放大电路：电路连接如图：（1）设计增益A=R2/R1=2；（2）采用反向放大器，更加稳定；（3）参数选择如图：R1=16k; R2=32k; R3=10

15、 k; C1=1F;运算放大器LM324采用±5V供电。（4）C1和R1共同构成高通滤波环节，消除直流电流影响。设计截止频率fc=1/(2R1C1)=10Hz。6. 50Hz陷波电路：最后一个环节设计为50Hz陷波环节。由于采用交流供电，50Hz工频干扰是噪声信号中最主要的成分，因此陷波效果直接影响信噪比的高低。经过资料搜集了解到，50Hz陷波的方法较多，可以采用数字信号范围内的陷波，也可以直接在模拟信号范围内通过电路陷波。但是要获得较好的效果，都比较麻烦。如果通过数字信号处理陷波，需要涉及A/D转换，单片机编程和D/A转换部分，这样使得电路体积大增。如果在模拟信号范围内陷波，除了熟

16、知的双T型陷波电路外，还有一些其他的电路，比如基于BB公司的UAF42芯片两极陷电路，MXT050陷波模块等。但是这些电路都不能在±5V电源下驱动，如果采用，必然需要相应的DC/DC模块配合，在加上本身电路的复杂，都会大大增加总体电路体积。同时会耗费大量时间，造成无法在规定时间内完成电路焊接和调试。因此，综合考虑，本电路还是采用双T型50Hz陷波电路。电路连接及参数选取如图：图中LM324都采用±5V供电。信号由1端输入，2端输出。其中： 陷波中心频率： fo =1/2RC 品质因数：Q1/4(1) 考虑到双T陷波电路对元件参数匹配要求较高，可在选用较高精度的电阻和电容，连

17、接时先用万用表测得阻值，尽量匹配精确。在R4处为一电位器，可调节Q值大小，改善陷波效果。同时可用金属丝网或者屏蔽盒盖在陷波电路表面，也可能减小干扰，利于改善陷波效果。7. 交直流转换电路：本电路采用220V交流供电，而电路中芯片全部需用±5V直流电压供电，所以电路中必须有交直流转换电路，将220V的交流电转换为±5V的直流电输出。采用如下交直流转换电路：该转换电路包括变压，整流，滤波，稳压环节。（1）变压环节：由实验室提供变压器；（2）整流环节：采用桥式整流电路。此部分不准备自己用四个二极管连接，而用KBP307桥式整流模块接入；（3）滤波环节：由四个电容构成，取值如图；（

18、4）稳压环节：由于输出电压设计为±5V，故采用7805和7905稳压管，其额定输出电压分别为+5V和-5V。8. DC/DC模块：DC/DC模块主要用于不同直流电压之间的变换，也可以起到隔离输入输出端电压干扰、电流噪声的作用。本电路中，不需要直流电压的幅值调节，故DC/DC模块只起隔离前后影响的作用。选用TI公司的DCP010505D微型1W隔离DC/DC转换器。其模块封装如右图：管脚释义如下表：部分参数如下：（1） 效率：最大85%；（2） 1000Vrms隔离（3） 400kHz转换电路连接如下：其中：VSUPPLY端接到交直流转换电路的+5V输出端；+VOUT和-VOUT分别输出+5V和-5V，对隔离放大器之前的电路供电，二者与隔离放大器之前的电路共地；上图左边的地COM与隔离放大器之后的电路共地。按上述方法连接后，可实现