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1、肌电放大器（220V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
2、鼻喉科及口腔科,在基础医学研究、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：①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；②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
3、极地发挥其优势。如通过检测人体残肢表面肌电信号,提取出肢体的动作特征,来自动控制假肢运动；③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；④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
4、表示为准高斯分布函数。信号幅度峰峰值为0～6mV,方差为0～1.5mV。信号的有用能量(指信号能量高于电子噪声水平)在0～500Hz的频率范围,主要集中在50～150Hz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：10Hz~500Hz；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
5、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一．单元电路：1.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Ag／AgCl表面电极，其极化电压很小，能很
6、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=50kΩ。（1）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
7、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0.01μF,则由公式fc=1/(2πRC)可算的电阻值R1=R2=1.59MΩ，则取为1.6MΩ。（2）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+
8、R4+R5)/R3,可取R3=10kΩ，R4=R5=20kΩ。（3）仪用放大器：仪用放大器由芯
