基于multisim的肌电信号的采集与分析

院（系）：基层教学单位：学号学生姓名专业（班级）设计题目基于multisim的肌电信号的采集与分析设计技术参数输入阻抗≥1GΩ;共模抑制比93dB带宽0-100Hz能滤除50Hz工频干扰总增益4000-100000设计要求设计肌电信号调理电路，能够实现肌电信号的放大、滤波基本功能；利用MULTISIM软件进行电路仿真与优化。工作量调设计心电信号调理电路；MULTISUM软件学习；功能电路仿真与参数优化；完成课程设计报告一份工作计划1天方案调研与系统总体设计；2天仿真软件学习；3天功能电路仿真与元件参数优化；4天整体电路联调；5天系统总结完成报告。参考资料1．《现代测控电路》李刚等天津大学出版社2《Multisim11电路仿真与实践》梁青等清华大学出版社3．网上相关资料指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：①该生学习态度（认真较认真不认真）②该生迟到、早退现象（有无）③该生依赖他人进行设计情况（有无）成绩：指导教师：年月日答辩小组评语：①设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。②设计合理，实现设计要求。③实现了大部分设计要求。④没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。成绩：组长：年月日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年月日共页第页目录第1章摘要…………………………………………………………………………1第2章基本原理……………………………………………………………………3第3章设计及仿真……………………………………………………………53.1前置放大…………………………………………………………………53.2滤波电路…………………………………………………………83.3主放大电路………………………………………………………103.450Hz陷波电路………………………………………………………12第5章结论………………………………………………………………………16参考文献……………………………………………………………………………18共页第页第1章摘要肌电信号是一种复杂的生物医学信号，是肌肉收缩时产生的电活动，不仅与肌肉本身的生理特性有关，也与神经控制系统有关。因此，肌电信号的研究分析已成为临床诊断、康复工程、神经生理学和生物力学等诸多领域的研究热点。目前，国内外生产的肌电反馈产品较多，它对临床诊断，康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。本文从肌电信号的产生机理入手，研究了肌电信号的特点和提取的方法，通过肌电变化转化成直观的肌电波，以此表征肌肉的活动状态，并通过此反馈给患者，使患者能感知肌电的这种变化，并进行反复的调控训练，从而达到康复训练和治疗的目的。生物反馈疗法是应用电子仪器，将人们正常意识不到的身体功能，如肌电、脑电、皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号，如视觉或听觉信号，再让患者根据这些信号，学会控制自身不随意功能的治疗和训练方法。这一疗法自60年代提出并开展以来，以其无损伤，无痛苦，无药物副作用，方法简便，疗效满意等优点而被许多国家重视并采用，特别是一些发达国家己把生物反馈和自身调节作为一种常规方法，广泛开展于临床医学临床。肌电反馈仪及电刺激应用普遍，国内外生产的品种也比较多，它在临床诊断，康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。随着科学技术的快速发展，新技术、新产品的不断涌现，人们对仪器的功能、灵活性的要求越来越高。虚拟仪器技术是仪器技术和计算机技术相结合的产物。经过了近20年的发展，它已成为2l世纪测试技术和仪器技术发展的主要方向。本课题的研究目的就是为了采用虚拟仪器技术，发挥其强大的软件优势，来实现传统的治疗仪。这将对节约成本，利于开发编程等方面有很高的益处。共页第页第2章基本原理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。肌电信号的幅值本质上是随机信号，其峰一峰幅值范围为0-10mv，均方根幅值范围为0-1.5mV，主要集中在100-500uV，频率范围在0-10KHz，有用能量分布在0-500Hz频率范围之间，主要能量集中分布在50—150Hz频率范围之间。图1硬件结构图由于人体表面肌电信号非常微弱，从几微伏到几毫伏，并存在高频电磁干扰，50Hz工频干扰和极化电压干扰等。因此选用高共模抑制比的仪表放大器AD620和高通滤波电路作前置隔直放大，消除极化电压的干扰；通过带通滤波放大电路消除高频电磁干扰：用50Hz陷波器消除工频干扰，并用通过隔离放大器使检测的肌电信号和后端处理信号隔离，保证了人体安全。通过前置放大和二级放大，并经过信号调理后把信号传给AD转换器，供AD采样。由于肌电信号的个体差异性，在设计放大通道时，放大倍数在4000-100000倍，可通过PC机软件调节控制。共页第页第3章设计及仿真本课题主要设计为采集部分电路，由于肌电信号十分微弱，所以对信号的采集首先就算是需要放大，信号采集过程还必不可少信号的滤波和陷波，下图为采集电路的流程图图2采集电路流程图3.1前置放大人体皮肤表面的肌电信号很微弱，容易受到其它信号的干扰，因此需用放大器和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。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，滤波器必须具有放大、滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。根据肌电信号的特点，在选择设计放大器时，必须考虑以下几个参数：（1）高输入阻抗放大是最为常用的一种信号调理手段。放大的目地就是要在对电模拟的信号进行数字化之前进行放大，消除噪声的影响，提高测量的准确性。生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益前置放大电路滤波电路主放大电路陷波电路共页第页不稳定。再者，如果放大器输入阻抗不足够高(与源阻杭相比)，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。（2)高共模抑制比为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，需选用差动放大形式，因此CMRR值是放大器的主要指标。生物电放大器的CMI汛值一般要求60dB一80dB，高性能放大器的CMRR达100dB。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出，而提高放大器的输入阻杭，则会减小这一转化。3)低噪声、低漂移我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。因此，为了确保第一级高增益放大的低失调电压、低失调电压漂移、低噪声的要求，我们选用AD620AN进行第一级放大。AD620具有高输入电阻、低输入偏置电流、低输入失调电流、低噪声、低功耗等特点，另外其增益G的调节直接由一个外部电阻控制。其主要枝术指标如下：低电源电流：50uA；输入失调电压：125uV；输入失调电流：O．3nA；输入偏置电流：O．5nA；最小共模抑制比：93dB(G=10)；高输入电阻：10GΩ；最大功耗：650mW。具体设计电路如下：共页第页图3前置放大电路在检测电极和人体接触部分会有极化电压，一般几十毫伏，最大达300mV，为了消除极化电压，前端用隔直处理。其中C1，R1，C2，R2分别对两个输入信号其隔直滤波作用，对于C1=0．1uF，RI=10MΩ，其时间常数T=R1C1=ls，其截止频率为：fo=1/(2πC1R1)=0.16Hz另外，由于等效信号源输出阻抗很大，有几十千欧，这就要求输入阻抗很大。本设计中选用了低功耗、高精度、低噪声放大器AD620AN。其增益计算公式为：G=(49.4KΩ/RG)+1其中RG为管脚1和管脚8之间G的电阻，G为增益值。由于表面肌电信号是微弱信号，为了避免其它信号的干扰，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，并且放大电路的噪声性能随前置级增益的提高而明显变差，因此RG的值要选择适当，以获得适当的增益。本设计中选择放大20倍左右，取RG=2．6K，据公式计算得到G=20。为了进一步提高共模抑制比，还采用了共模反馈消除法。由U33A、C3、R3、R4、R5、R6、R7、R8构成共模反馈电路，人体输入的共模电压被阻值相等的电阻R5、R6、R7、R8检测出来，经过U33A将其倒相并反馈到人体上，使其共模电压降低。共页第页对根据以上设计出的电路图进行仿真，下图为仿真电路图图4仿真电路图通过给电路图加模拟信号，用示波器对电路的性能进行鉴定，仿真电路运行后示波器得到如下现象：共页第页从上图观察到波形被放大20倍左右，达到了设计要求。3.2滤波电路通过前置放大器的信号中含有干扰的高频信号，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。本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频求不高，因此选择了巴特沃斯滤波器。同时考虑到本设计需要正反馈，所以选用了能生正相增益的压控电压源滤波器。肌电信号频率范围为0-10KHz，主要集中在10．500Hz，所以采用0-10KHz的带通滤波，电路如图5所示。前级高通滤波，消除低频干扰信号和无用信号，截止频率f=1/2πR11C4=10.27Hz，后级一阶低通滤波和二阶低通滤波，消除高频干扰，截止频率为f=1/2πR13C32=1.27KHz，并且调节可变电阻Rw，根据G=1+R12/Rw，使一阶低通滤波电路放大50倍。根据G=1+R27/R22=2，二阶低通滤波器放大2倍，因此，整个低高通滤波电路信号放大100倍，加上前置放大器放大lO倍，经过此处的信号被放大1000倍。图5滤波电路电路设计结束后对其进行仿真，用波特仪观察现象，仿真电路图如下图所示：共页第页图6滤波仿真电路对此电路经过软件仿真，得到的幅频曲线如下图所示。3.3信号主放大由于肌电信号非常微弱，一般只有几微伏到几毫伏，信号经过前黄放大器lO倍放大和滤波器的100倍放大，还需要再次的放大，采用由上位机控制的模拟开关和放大器组成的放大电路，如图7所示共页第页图7主放大电路电路设计结束后对其进行仿真，用示波器观察现象，仿真电路图如下图所示：图8放大电路仿真用自发生器模拟单片机的控制信号控制ADG408的A，B，C端口，使得所共页第页接电阻中有一个选通，设其阻值为Rx，放大系数为：K=1+R29/RxRx取100KΩ，50KΩ，25KΩ，20KΩ,10KΩ，5．1KQ，4KΩ,2K．Q，使K=2，3，5，6,11，21，26,5l，需要不同的放大倍数只要通过模拟开关选择不同电阻即可。通过下图可以看出仿真结果满足K的不同值的要求。3.450Hz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。为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰，常采用带阻滤波器予以抑制，带阻滤波器又称为陷波器。本设计中采用双T网络和运算放大器构成的有源双T陷波电路来滤除50Hz工频信号。陷波器电路如图10所示。共页第页图1050Hz陷波电路其中双网络是RC选频电路，该网络是对称的，陷波频率为：f=1/2πR1C1取R1=680KΩ，C1=0.047uF，则f=1/(2*3.14*680K*0.047u)=49.8≈50Hz，下图为该对陷波电路的仿真电路图，图1150Hz陷波电路仿真对此电路经过软件仿真，得到的幅频曲线如下图所示。共页第页共页第页第4章总结为期一周的测控电路课程设计已经结束，在此次课程设计中我学到了很多东西，对测控电路的有关知识进行了进一步的了解并能熟练使用multisim是本次课程设计最大的收获。在设计过程中也遇到了很多困难，在硬件设计中，为了消除多方面干扰，采用带通滤波、50Hz陷波设计。并对部分肌电采