表面肌电信号的高速数据采集系统的设计

　　0　引　　言

　　通过对残肢表面肌电信号(SEMG)的分析,提取反映运动意愿的有效特征,从而建立特征矢量与运动空间的映射关系,可以用来控制假肢动作。它能够有效地反映肢体的运动信息,成为假肢研究中的一个热点。但是SEMG非常微弱,常常淹没在大量的噪声中,而且极易受到干扰。其幅度一般为100~5 000μV,能量集中在1000 Hz以下。因此在前端采集时,前置放大电路的共模抑制能力成为能否有效获取SEMG的关键。本文在常用的仪用放大电路的基础上采用了一种新的“浮地技术”。经实验证明,电路在低频的KCMR改善了30 dB。此外,设计的基于CY68013与AD7862的USB2.0高速数据采集系统,工作在GPIF模式,有效地采集到了8路人体的表面肌电信号,为后续人体上肢动作模式辨识提供了信号源。

　　1　前端放大电路设计

　　如图1所示。前端采用2片AD548构成并联型双运放。AD548为JFET型运算放大器,具有低失调电压、低漂移、高输入阻抗的特性,有利于减少生物电信号源内阻(人体组织的阻抗以及电极与组织界面的阻抗)对差分放大器的影响。电阻器R1连接在并联型双运放的求和点之间,由“虚短”可知,每个放大器求和点的电压等于各自的正输入端电压,则整个差分输入电压都呈现在R1两端。可计算,差模信号经U1、U2后放大1+2R2/R1倍(其中R2=R3),而对于共模信号,流过电阻R1的电流为零,输出电压为零,从而实现了放大差模信号,抑制共模信号。这样,降低了对后级电阻的匹配精度和后级运放的共模抑制比以及温漂等参数的要求,但是前提条件是并联型双运放U1和U2的KCMR所产生的误差十分的小,这在实际中难以实现。针对这个问题,本设计从两方面来进一步改善。一方面采用“电源浮地”技术[1-5]。其基本思想为:如果U1和U2的正负电源的公共端不接地,而把它接到与共模输入电压等电位的一点,那么对于2个运放来说共模信号将是零。实际设计中,为了避免整流稳压电源的纹波带来工频干扰,一般采用采用精准的纽扣电池供电,但是时间一长,这种设计也不能保证正负电源完全对称,使“浮地技术”失去了原本的意义。本设计在此基础上做了改进,用2个比例恒流源取代电池,通过精密稳压器Q1和精密电阻R15来控制电流的大小[2]。如图2所示,为了避免减少差动放大器的输入阻抗,先用U3、U4OP放大器对输入信号进行缓冲,再通过R12和R13检出共模信号输入到U5和U6的正输入端。Tr1、Tr2与Tr3、Tr4分别构成PNP型和NPN型比例电流源电路,使得集电极的电流恒为0.25 mA,从而流过R14和R15恒为0.25 mA,两端的压降恒为5 V。由“虚短”可知,U5的“-”输入也是共模信号,所以U5的输出电压总是比共模信号低5 V,以这个电压作为U1和U2的负电源使用。同理,U6的输出电压总比共模信号高5 V,作为正电源使用。从而,U1和U2的正电源与负电源的公共端的电位等于共模输入电压,则对于U1和U2来说,共模信号相当于零,消除了共模信号产生的误差。跟随器和仪用放大器则采用另外一组电源供电。