一、项目简介
sEMG 是微弱电信号,易受到心电信号和工频噪声的干扰,需要很高的共模抑制比,需要用模拟滤波器和双 T 陷波器将信号滤波放大到 0~5V;这里需要将将电极、放大滤波电路、陷波电路封装在一起,加屏蔽层保护,降低传导耦合的干扰。sEMG 信号采集电路由信号缓冲电路、前置仪用运放放大电路、带通滤波电路、双 T 陷波滤波器、加法电路、电压跟随器隔离电路组成,如下图所示。其中信号缓冲电路与前置仪用运放放大电路实现不同导联之间阻抗匹配和信号前级放大;带通滤波电路定了肌电信号的带宽,保证让有用的肌电信号传输到后面的数字电路部分;双 T 陷波滤波器将工频噪声(50/60Hz 家用供电噪音)滤去;加法电路将交流的 sEMG 信号加入 1.5V 直流偏置,使得 sEMG 信号整体为正电压信号,便于单片机使用模数 AD 转换进行采集;电压跟随器隔离电路起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
二、具体电路
1.信号缓冲电路与前置仪用运放放大电路
信号缓冲电路可以实现不同导联之间的信号隔离,又可以提高系统的输入阻抗;前置仪用运放放大电路主要功能是放大微弱的肌电生理信号,差动放大电路选择具有高共模抑制比和低失调漂移的仪用运放芯片,能够在保证放大差摸信号的同时有效地抑制共模信号。
差分放大电路与缓冲电路采用了 ADI 的一款高性能仪表放大器 AD8221,它拥有极为出色的共模抑制能力,能更好地抑制干扰,并减小谐波的影响。该电路实现了阻抗变换,可防止通道间的串扰,又提高了系统的输入阻抗,可以为系统提供一个良好的性能初端。电路原理图下图所示,这里 AD8221 可以通过设置单一电阻 Rg 的大小,便可以实现不同的增益,可将差分信号按比例增加,同时共模信号并没有增加,所以可以更好的提高共模抑制能力。
2.带通滤波电路
带通滤波电路包括高通滤波电路和低通滤波电路,高通滤波电路可以根据需求滤除肌电信号中的不必要的低频信号,相应地低通滤波电路是用于滤除肌电信号中的高频干扰信号,只让有效频段内的肌电信号通过。高通滤波电路和低通滤波电路共同决定了肌电信号的带宽,保证让有用的肌电信号传输到后面的数字电路部分。
高通滤波电路主要用于隔离直流信号,防止直流信号被放大后造成放大器饱和,在本系统中,设计的是截止频率为 10Hz 的 RC 电路来实现高通滤波,不仅可以保证幅频响应特性,还能获得良好的相频响应特性;采集肌电信号的过程中,生物体会耦合大量的高频干扰信号,这就需要设计低通滤波器来去除采集到的高频噪声成分。低通滤波器还具有抗混叠的作用,抑制混叠现象对肌电信号的影响,本系统使用 LRC 低通滤波电路,截止频率 1000Hz。带通滤波电路原理图如下图所示。
3.双T陷波电路
肌电电路所发出的电子信号十分微小,通常只有几个微伏(万分之一伏 )。而由于人的身体也可以作为天线能受到电磁干扰 ,特别是 50/60Hz 的家用供电噪音,这种干扰可能会掩盖的生物信号,使得信号难以测量 。 因此需要双 T 带通滤波电路,将工频噪声滤去。陷波器是带阻滤波器的一种,带阻滤波器的滤除频率有一定宽度,而陷波就是对某一个频率噪音的滤除。如下图 所示,器件的值要满足如下的关系:C1=C2=C,C3=2C;R1=R2=R,R3=R/2,如果要滤除 50Hz 的噪声,必须选择好电阻 R 以及电容 C,分别可以选择 C= 0.1uF和 R=33KΩ。
4.加法电路
STM32 微控制器内置最多四个高级 12 位 ADC,提供自校准功能,用于提高环境条件变化时的 ADC 精度。在涉及模数转换的应用中,ADC 精度会影响整体的系统质量和效率。为获得最高 ADC 转换精度,ADC 动态范围必须与待转换信号的最大幅度相匹配。例如待转换信号在0 V 与 2.5 V 之间变化,并且 VREF+等于 3.3 V。ADC 转换的最大信号值为 3102(2.5 V),在本例中,有 993 个未使用转换(4095–3102=993)。这意味着转换后信号精度下降。因此,我们将交流的 sEMG 信号加入 1.5V 直流偏置,使得 sEMG 信号整体为正电压信号,同时使得输入信号最大范围落在 ADC 动态范围内,保证信号精确性。加法电路原理图如下图所示。
三、PCB设计
为解决-9V与GND相互连接的问题,pcb设计中 +9V、-9V、GND不采用大规模铺铜,+9V和-9V内层,GND底层,信号线顶层。为了降低导线的阻抗,应该尽量将元器件排布紧凑,降低导线长度。去耦电容应紧靠芯片。
四、培训及实物展示
实物系统展示及模块设计教学、电路仿真视频已上传至B站,欢迎移步~
【从0到1设计SEMG信号调理电路】 https://www.bilibili.com/video/BV18k4y1Q7xS/?share_source=copy_web&vd_source=cd66b1ed0e7262956bf2fc63c42b9d8b
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