表面肌电信号数字传感器电路模块设计
表面肌电信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、
放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,其振幅约为 0-5000μV,频率 0-1000Hz,信
号形态具有较强的随机性和不稳定性。与传统的针式肌电图相比,sEMG 的空间分辨率相对较低,
但是探测空间较大,重复性较好,对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术
价值和应用意义。
滤波器电路模块
表面肌电信号一般只有毫伏级电压,信号中往往夹带着低频和高频的干扰信号,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、滤波功能,并且要
求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。低通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器。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。本设计中采用双 T 有源滤波器来滤除 50Hz 的工
频信号,如图 2 所示。
图 2 双 T 有源滤波器电路
下面来分析可能引入工频干扰的途径:1 由空间辐射引入:空间的电磁场可以通过检测设备中
的电极连线、印刷电路板上的连线、器件引脚或器件本身感应为相应频率成分的电流,成为噪声混
入肌电信号。空间的电磁场可能来自于多种源,最致命的是电网辐射造成的工频干扰。2 由直流电
源引入:检测设备中,为有源器件供电的直流电源通常都是由工频交流电源变压、整流、稳压而得
到的。直流稳压电源不可能达到理想的滤波效果。以纹波形式存在的工频(或其谐波)电流会通过
电源引入到放大电路中。3 由受试者身体引入:暴露于空间电磁场中的受试者身体同样会感应电磁
场而产生感应电流,受试者身体所感应的工频电流通过检测电极,与生物电信号一起加到放大器输
入端,形成工频干扰。
针对直流电源引入的工频干扰,采用电池对有源器件进行供电。采用电池供电不仅避免了整流
稳压电源纹波所带来的工频干扰问题,而且还消除了因漏电而导致受试者被电击伤的可能。由于电
池的电压较低,用多节电池又会显得体积庞大,所以采用 DC/DC 模块来升压解决芯片的供电问题。