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单片机与DSP中的表面肌电信号拾取的专用有源滤波器设计
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2020-12-09
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表面肌电信号拾取的专用有源滤波器设计 引言 肌电信号是肌肉中运动单元动作电位(MUAP)在时间上和空间上的叠加,表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应,相对于针电极EMG,表面EMG的研究具有无创伤、操作简单的特性,它的应用已经深入到临床医学、运动医学、生物医学与工程等诸多领域。 然而人体皮肤表面的肌电信号很微弱、容易受到其他信号的干扰,因此
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表面肌电信号拾取的专用有源滤波器设计 引言 肌电信号是肌肉中运动单元动作电位(MUAP)在时间上和空间
上的叠加,表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应,相对于针电极EMG,表面EMG的研
究具有无创伤、操作简单的特性,它的应用已经深入到临床医学、运动医学、生物医学与工程等诸多领域。 然
而人体皮肤表面的肌电信号很微弱、容易受到其他信号的干扰,因此
表面肌电信号拾取的专用有源滤波器设计
引言
肌电信号是肌肉中运动单元动作电位(MUAP)在时间上和空间上的叠加,表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动
的综合效应,相对于针电极EMG,表面EMG的研究具有无创伤、操作简单的特性,它的应用已经深入到临床医学、运动医
学、生物医学与工程等诸多领域。
然而人体皮肤表面的肌电信号很微弱、容易受到其他信号的干扰,因此需用滤波器对输入信号进行滤波、放大才能得到有效且
可识别的信号。由于表面肌电信号本身的特性,一般的滤波器无法得到好的处理效果,这就要求设计表现肌电信号拾取的专用
滤波器。本文着重介绍这种专用滤波器的设计、性能,并与医用滤波器VISHEE G16-24AMP进行了比较。
滤波器的总体设计
表面肌电信号一般只有微伏级电压,信号中往往夹带着低频(接近直流)和高频的干扰信号,真正有用的肌电信号大致在
10Hz-500Hz之间。除此之外,50Hz的工频信号也是一个重要的干扰源,如果不去除可能会掩盖表面肌电信号,根据这些特
殊要求,专用滤波器必须具有隔直、放大、滤波功能,并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。
隔直和放大电路
从表面电极检测出的信号首先需进行隔直处理,然后才能进行放大。隔直和放大部分电路如图1所示。
其中隔直部分为一阶高通滤波器,其截止频率为:
信号放大可分多级放大,但第一级必须有较大的大倍数。本设计中选用了低功耗、高精度、低噪声放大器AD620。其增益计
算公式为:
其中RG为管脚1和管脚8之间的电阻,G为增益值。由于表面肌电信号是微弱信号,为了避免其他信号的干扰,增益值要足够
大;但另一方面,增益值如果太大,可能在第一级就出现饱和,因此RG的值要选择适当,以获得适当的增益。经试验,本设
计中令RG=200Ω,根据公式(2)计算得到G=248。
为了进一步提高共模抑制比,本设计中还采用了共模反馈消除法。由U2A、C3、R3、R4、R5、R6构成共模反馈电路,人体
输入的共模电压被两个阻值相等的电阻R5、R6检测出来,经过U2A将其倒相并反馈到人体上,使其共模电压降低乃至抵消,
从而减小了共模电压的拾取。
此外,本设计的放大部分还采用了两个反比例运算电路,如果想更改放大倍数只需改变输入端电阻和反馈电阻的阻值即可。
陷波电路
50Hz工频信号对表面肌电信号的采集有很大的影响,它的频率恰好在表面肌电信号能量集中的频段,且其幅度比表面肌电信
号大1-3个量级,因此必须除去。本设计中采用陷波器来滤除50Hz的工频信号。陷波器电路如图2所示。
陷波器的中心频率为:
陷波器参数的确定一方面通过计算,另一方面还要通过实验检测其滤波效果,本设计中R13取10kΩ,C9取0.33μF,根据公式
(3)算得f为48Hz,实际测得陷波器的中心频率为49Hz,满足设计要求。
陷波器的品质因素(Q),决定滤波器的选择性,高Q对应较窄的阻带而低Q对应较宽的阻带。本设计中由于只要求衰减50Hz
信号,其他频率尽量保留,因此需要提高Q值。图2中放大器U3A将U2D的部分输出信号反馈到网络的纵臂,由于是正反馈,
具有频率增强作用,所以可使阻带变窄,Q值提高。Q值的计算公式为:
式中F为电路反馈系数:
选取R18=56KΩ,R17=5.1KΩ,根据公式(4)、(5)可得F=0.92,Q=3.125。这种陷波器电路能有效地滤除50Hz工频
产生的干扰,而且Q值的提高保证了有用信号不被衰减。
低通滤波电路
从整个系统来看,除了要抑制50Hz工频信号外,还应限制高频信号,这就要使用低通滤波器。最常用的全极点滤波器有巴特
沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。就靠近ω=0处的幅频特性而言,巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直,即在频率的低端巴
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