1.引言
表面肌電（suRFace electromyography, sEMG）信號是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進行隨意性和非隨意性活動時的生物電變化經(jīng)表面電極引導(dǎo),、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時間序列信號,，其振幅約為0-5000μV,，頻率0-1000Hz,，信號形態(tài)具有較強的隨機性和不穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的針式肌電圖相比,，sEMG的空間分辨率相對較低,，但是探測空間較大，重復(fù)性較好,，對于體育科學(xué)研究,、康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究等具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用意義[1]。
人體是一導(dǎo)電體,，工頻干擾及體外的電場,、磁場感應(yīng)都會在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾sEMG的檢測,，所以信號的濾波和電路的屏蔽成為表面肌電信號數(shù)字傳感器設(shè)計的重點,。分為幾個部分：電極、放大電路,、濾波電路,、A/D轉(zhuǎn)換。
2.電極的設(shè)計
本文電極極片的基體用銅制作,，表面鍍銀,，其形式采用常用的雙極型，并在兩個電極中間插入了一個參考電極,，也稱作無關(guān)電極,，以利于降低噪聲，提高對共模信號的抑制能力,。為了消除來自電源線的噪聲,，采用差動放大的方法。
肌電信號由兩個電極來檢測,，兩個輸入信號“相減”,，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份,。任何噪聲如果離檢測點很遠(yuǎn),，在檢測點上將表現(xiàn)為“共模”信號；而檢測表面附近的信號表現(xiàn)為不同,，將被放大,。因此，相對較遠(yuǎn)處的電力線噪聲將被消除,，而相對比較近處的肌電信號將被放大,。其準(zhǔn)確性由共模抑制比（CMRR）來衡量[2]。
肌電信息在人體組織(容積導(dǎo)體)內(nèi)的傳遞,，會隨著距離的增加而很快衰減,。因此電極宜貼放在肌電發(fā)放最強的肌腹部,，以減少鄰近肌肉的肌電干擾(串音)。采用較小的電極可提高選擇性,，但會增加電極與皮膚間的接觸阻抗,。
3放大電路的設(shè)計
人體肌肉組織是皮表肌電的信號源，它發(fā)放的肌電經(jīng)過皮下軟組織的體電阻傳輸至皮膚表面,，體電阻約數(shù)百歐姆,，但是，表面電極與皮膚之間的接觸阻抗比較高,，約幾千歐姆,。接觸電阻還受接觸松緊程度、皮膚清潔程度,、濕度,、四季時令變化等多種因素影響，變化很大[3],。由此可見,，對于放大器來說，肌電信號源是一個高內(nèi)阻的信號源,。
在設(shè)計肌電信號放大電路時,，著重考慮了以下問題：1．高增益：表面肌電信號幅度約在分布μV～mV數(shù)量級之間，是一種極其微弱的信號,，要將其放大到一伏左右才能方便使用,，所以將放大器的增益設(shè)置在80dB。2．高共模抑制比：表面肌電信號的采集易受50Hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾,。但這些干擾信號在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號——共模信號,，因此選用高共模抑制比的放大電路對干擾信號進行抑制。3．高輸入阻抗：肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化,，天氣干燥地區(qū)，接觸電阻甚至高達(dá)幾萬歐姆,，在這種條件下,，即使放大器的共模比極優(yōu)良，如果輸入阻抗不夠高,，共模干擾信號也會造成輸出誤差,。因此必須提高放大器的輸入阻抗。
根據(jù)以上所述,，設(shè)計的肌電信號采集電路要求具有高增益,、高輸入阻抗、高共摸抑制比(CMRR),、低零漂,、低失調(diào),、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓,。本文選用德州儀器（Texas Instruments）公司的Burr-Brown系列的同相并聯(lián)差動三運放儀表放大器INA128PA為核心器件搭建了前置放大電路,，獲得了良好的電路效果。該芯片內(nèi)部原理電路圖如圖1所示,。
圖1 INA128內(nèi)部原理圖
表面肌電信號非常微弱,，從電極引導(dǎo)出的信號夾雜著很強的干擾信號，為了避免在干擾較強時信號進入非線性區(qū)引起嚴(yán)重失真,，應(yīng)該采用兩級放大,。儀用放大器INA128作為一級放大，設(shè)計比例運算放大器作為二級放大,。
4 濾波器的設(shè)計
表面肌電信號一般只有毫伏級電壓,，信號中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，真正有用的肌電信號大致在10Hz－500Hz之間,。除此之外,，50Hz的工頻信號也是一個重要的干擾源，如果不去除可能會掩蓋表面肌電信號,，根據(jù)這些特殊要求,，專用濾波器必須具有隔直、濾波功能,，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性,。低通濾波器采用壓控電壓源型二階低通濾波器。
50Hz工頻信號對表面肌電信號的采集有很大的影響,，它的頻率恰好在表面肌電信號能量集中的頻段,，且其幅度比表面肌電信號大1－3個量級，因此必須除去,。本設(shè)計中采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號,，如圖2所示。
圖2 雙T有源濾波器電路
下面來分析可能引入工頻干擾的途徑：1由空間輻射引入：空間的電磁場可以通過檢測設(shè)備中的電極連線,、印刷電路板上的連線,、器件引腳或器件本身感應(yīng)為相應(yīng)頻率成分的電流，成為噪聲混入肌電信號,?？臻g的電磁場可能來自于多種源，最致命的是電網(wǎng)輻射造成的工頻干擾,。2由直流電源引入：檢測設(shè)備中,，為有源器件供電的直流電源通常都是由工頻交流電源變壓、整流、穩(wěn)壓而得到的,。直流穩(wěn)壓電源不可能達(dá)到理想的濾波效果,。以紋波形式存在的工頻(或其諧波)電流會通過電源引入到放大電路中。3由受試者身體引入：暴露于空間電磁場中的受試者身體同樣會感應(yīng)電磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電流,，受試者身體所感應(yīng)的工頻電流通過檢測電極,，與生物電信號一起加到放大器輸入端，形成工頻干擾,。
針對直流電源引入的工頻干擾,，采用電池對有源器件進行供電。采用電池供電不僅避免了整流穩(wěn)壓電源紋波所帶來的工頻干擾問題,，而且還消除了因漏電而導(dǎo)致受試者被電擊傷的可能,。由于電池的電壓較低，用多節(jié)電池又會顯得體積龐大,，所以采用DC/DC模塊來升壓解決芯片的供電問題,。
5 A/D轉(zhuǎn)換
由于采樣頻率并不高，選用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832即可,。ADC0832使用采樣—數(shù)據(jù)—比較器的結(jié)構(gòu),，采用逐次逼近方式進行轉(zhuǎn)換。根據(jù)多路器的軟件配置,，單端輸入方式下,，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個輸入端和地端；差分輸入方式下,，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個輸入端和另一輸入端,。ADC0832的兩輸入可以分配為正極或負(fù)極，可以由多路器進行軟件配置,。但是要注意的是,，當(dāng)連到分配為端的輸入電壓低于分配為負(fù)端的輸入電壓時，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0,。通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令,，用軟件對通道選擇和輸入端的配置。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下,，可以在轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能,。另外，可把轉(zhuǎn)換器和模擬傳感器放在一起,，和遠(yuǎn)端的控制處理器串行通信,，而不是進行低電平的模擬信號的遠(yuǎn)程傳送,。這樣的處理使返回到處理器的是無噪聲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),，避免了模擬信號遠(yuǎn)傳的干擾。整個采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢，具體電路圖3所示：
圖3 系統(tǒng)電路圖
6 結(jié)論
表面肌電信號非常微弱,，先要對微弱信號進行放大,，才能達(dá)到AD采集單元的要求，而且由于人體是一導(dǎo)電體,，工頻干擾及體外的電場,、磁場感應(yīng)都會在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾肌電信息的檢測,，嚴(yán)重影響了測量系統(tǒng)的工作和有用信號的正確測量,。本文根據(jù)表面肌電信號產(chǎn)生特點和采集技術(shù)的基本要求，設(shè)計了表面肌電信號數(shù)字傳感器,，取得了良好的試驗效果,。
參考文獻(xiàn)
[1] 師碩，李錫杰,，王旭. 肌電信號采集系統(tǒng)與計算機的串口通訊[J]. 微計算機信息,，2006，1：226-227.
[2] Surface Electromyography: Detection and Recording,，Delsys Incorporated, 2002
[3] 錢曉進,，鄭如冰，王傳林. 高性能肌電檢測前置放大器的設(shè)計. 現(xiàn)代科學(xué)儀器,，2003,，19(3)：50-52
作者：仉冠生 楊鵬 郭欣 陳玲玲