单片机肌电信号采集电路

表面肌电信号采集模块
表面肌电图（surface Electromyogram，sEMG）又称动态肌电图（dynamic Electromyogram，dEMG），是通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。

这些年来，表面肌电信号在很多领域的应用都越来越受到重视，如在康复医学、骨科学、神经学、生物医学、运动医学和工程学等领域。

和传统的采用针式获取肌电图的方法比较，表面肌电信号具有很多优点，比如操作更加便捷、不会产生创伤、可采集的空间相对要大，可以进行很长时间的动态采集以及重复性好等优点。

由于这些优点，表面肌电信号采集更容易被脑瘫患儿及家长接受。

本节主要介绍表面肌电信号采集电路设计。

(2) 在采集表面肌电信号时，电极片会与人体皮肤直接接触，在这个接触界面上会产生一个接触电阻。

由于皮肤表面容易分泌汗液等化学物质，容易发生溶液的电解，影响接触电阻的阻值以及产生对皮肤有害的物质。

因此，在采集表面肌电信号的时候，应尽量使电极与皮肤接触保持稳定，并避免产生对人体有害的物质。

(3) 不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号。

经过综合考虑，本系统采用一次性心电电极引导表面肌电信号，该电极使用Ag/AgCl做为感应元件，水凝胶做为粘性元件。

这些元件都具有很好的皮肤适应性。

水凝胶用来加强产品与皮肤的粘贴
效果从而杜绝因为人的活动造成接触不良。

(1) 电极主要技术指标：
(2) 交流阻抗：≤3KΩ；
(3) 直流失调电压：≤100mV；
(4) 内容噪声：≥150uVp-p；
(5) 模拟除颤恢复性能：每次放电后第五秒，电极对上的电压值≤100mV；
(6) 偏置电流耐受度：电极对经400nA的直流电流持续作用4小时，在整个作用期间内，电极对两端的电压变化≤100mV。

肌电信号在人体组织内的传递（容积导），会随着距离的增加而很快急减。

因此，电极片应该贴放在肌电信号发放最强的部位，以减少邻近肌肉的肌电信号干扰。

同时，良好的接地不仅可以降低前面所述的第一种干扰，还可以有效地降低回路阻抗，提高抗干扰能力。

图3-2是表面电极的贴片方式，采用差分方式可以有效降低共模干扰。

图3-2 表面电极贴片方案示例
前置放大电路设计
通过电极拾取到的表面肌电信号含有各种各样的噪声，单片机是无法直接进行A/D转换的，必须要经过一步一步地调理，才能去除噪声，提取有用信号。

信号首先经过前置放大电路，进行初步处理。

为了更有效地去除共模信号地干扰，本系统采用差分放大电路，选用专门的仪器仪表放大器，同时为了防止干扰从导线引入，应使用屏蔽导线与电极相连。

为了获取极佳的性能与功耗比，我们选用ADI公司生产的新型仪用放大器AD620。

该芯片是一款虽然成本低但精度却很高的仪表放大器，实际使用时只需要一个外部电阻便可以设置放大器的增益，增益范围为1至10,000。

此外，AD620采用的是8引脚的SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗非常低（最大工作电流仅为1.3mA），因而非常适合远程应用、电池供电与便携式等设备中。

AD620的非线性度最大仅为40ppm，失调电压最大仅为50µV，失调漂移最大仅为0.6µV/℃，非常适合精密数据采集系统。

此外，AD620的低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性使之十分适合ECG与
EMG等医疗场合的应用。

由于其输入采用Superβeta，因此可实现低输入偏置电流最大仅1.0nA。

AD620在1KHz时具有9nV√HZ的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz带宽上的噪声为0.28µV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA√HZ，因而作为前置放大器使用效果非常好[22]。

前置放大电路具体设计如图3-3所示。

电容CI1，它时失效是起保主要滤
阻接决定
没有完全用尽AD620的放大能力，如果放大倍数过大，由于肌肤出汗、手臂运动等原因在两个差分测试点之间产生低频的，大小在数十毫伏与肌电信号不相关的信号将造成AD620的饱和，后续电路失效。

滤波器设计
前置放大电路采集到的肌电信号属于原始信号，里面含有各种噪声，即使采取了一系列抗干扰措施，仍然无法完全避免干扰进入差分信号通路，因此，设计性能良好的滤波器就显得尤为重要。

滤波器无法有效的识别有用信号和噪声一直是传统生物电信号拾取电路信噪比无法大幅提高的瓶颈，在本系统中为了获得较好的效果，我们采用了低通滤波器、工频陷波器与高通滤波器，这些滤
波器经过适当的顺序调整，能够满足表面肌电信号采集要求。

(1) 高通滤波器设计
由于人体出汗，恒定的电磁场干扰等条件下产生的直流信号叠加在表面肌电信号中，经过后续主放大器电路的高倍放大，很容易造成放大器饱和，无法检测出有效信号。

滤除直流信号以及低频噪声等都采用高通滤波器，高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。

一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的。

当然，“低”和“高”频率的含义是相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的。

滤波器分为无源和有源两种，最通用的就是巴特沃斯
根据渡带
但内部均衡00
(3-2)
式中，零频增益为：
4
3
1p R K R =+
(3-3)
自然角频率为：
0ω=
(3-4)
阻尼系数为：
(1Kp
α+−(3-5) 根据图3-4中各元器件的参数，以及截止频率计算公式：
f=(3-6) 可计算出本高通滤波器的截至频率为
00.72
f Hz
=
由(3-3)计算出零频增益为
高
有低于截实现
该选用特沃斯在10
图3-5低通滤波器电路图
(3) 工频陷波器设计
本系统虽然采用电池供电，且前置放大路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于肌电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的肌电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。

陷波器的实现电路有多种，如低通滤波器、高通滤波器组合的带阻陷波器、有源电感陷波器、双T型陷波器等，其中双T型陷波器以压制深度大、带宽窄的独特优势而得到了广泛应用。

近年来，
成2或了双T
才能
器实验
了有
电平抬高电路设计
通过前面的介绍，我们知道表面肌电信号是以差分电极引导出来的，因此，采集到的信号既有正电压又有负电压。

为了单片机A/D转换的方便，需要把信号调节到适当的范围，本系统是0～3V，因此把表面肌电信号电压抬高1.5V即可。

采用运算放大电路可实现该功能。

具体电路设计如图3-7所示。

图3-8 系统隔离示意图
本系统采用的隔离放大器为ISO124，隔离放大器ISO124是一种电容耦合式的调制高频信号的模
拟隔离放大器，由于采用了电容隔离的方法，而隔离电容又非常小（仅1pF），使其省电性能非常卓越，ISO124使用简单，不需要其他外部的元件即可工作。

实践证明，采用上述隔离方案，效果非常明显，使信噪比得到了较高提升。

屏蔽也是在高环路阻抗的条件下防止电磁干扰的有效方法。

放大之前的信号传输线应采用柔软可靠的多芯屏蔽线，屏蔽线外部有导体包裹，包裹的导体叫屏蔽层，一般为导电布，编织铜网或铜泊（铝），屏蔽层需要接地，外来的干扰信号可被该层导入大地，避免干扰信号进入内层导体干扰，同时降低传输信号的损耗。

除了采用屏蔽线传输信号外，通过对PCB的覆铜也能有效降低干扰。

覆铜是指将PCB上没有布线的空间作为基准面，连接到某一个“地”信号，然后用铜填充这些空闲区域，也称之为灌铜。

覆铜不仅能减小地线阻抗、提高抗干扰能力，还能防止导线中电流太大，产生过多热量，提高电源效率。

但是应当注意，不同的地应该分别独立覆铜。