圖4? VCVS二階低通濾波環(huán)節(jié)2

濾波器的總體設(shè)計
表面肌電信號一般只有微伏級電壓,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、放大、濾波功能,并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。
隔直和放大電路
從表面電極檢測出的信號首先需進行隔直處理,然后才能進行放大。隔直和放大部分電路如圖1所示。
其中隔直部分為一階高通濾波器,其截止頻率為：
?(1)信號放大可分多級放大,但第一級必須有較大的放大倍數(shù)。本設(shè)計中選用了低功耗、高精度、低噪聲放大器AD620。其增益計算公式為：

(2)其中RG為管腳1和管腳8之間的電阻,G為增益值。由于表面肌電信號是微弱信號,為了避免其它信號的干擾,增益值要足夠大;但另一方面,增益值如果太大,可能在第一級就出現(xiàn)飽和,因此RG的值要選擇適當,以獲得適當?shù)脑鲆妗＝?jīng)試驗,本設(shè)計中令RG=200? ,根據(jù)公式(2)計算得到G=248。
為了進一步提高共模抑制比,本設(shè)計中還采用了共模反饋消除法。由U2A、C3、R3、R4、R5、R6構(gòu)成共模反饋電路,人體輸入的共模電壓被兩個阻值相等的電阻R5、R6檢測出來,經(jīng)過U2A將其倒相并反饋到人體上,使其共模電壓降低乃至抵消,從而減小了共模電壓的拾取。
此外,本設(shè)計的放大部分還采用了兩個反比例運算電路,如果想更改放大倍數(shù)只需改變輸入端電阻和反饋電阻的阻值即可。

陷波電路
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)計中采用陷波器來濾除50Hz工頻信號。陷波器電路如圖2所示。
陷波器的中心頻率為：
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陷波器參數(shù)的確定一方面通過計算,另一方面還要通過實驗檢測其濾波效果。本設(shè)計中R13取10k?,C9取0.33?F,根據(jù)公式(3)算得f為48Hz,實際測得陷波器的中心頻率為49Hz,滿足設(shè)計要求。
陷波器的品質(zhì)因素(Q),決定濾波器的選擇性,高Q對應較窄的阻帶而低Q對應較寬的阻帶。本設(shè)計中由于只要求衰減50Hz信號,其它頻率盡量保留,因此需要提高Q值。圖2中放大器U3A將U2D的部分輸出信號反饋到網(wǎng)絡(luò)的縱臂,由于是正反饋,具有頻率增強作用,所以可使阻帶變窄,Q值提高。Q值的計算公式為：
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式中F為電路反饋系數(shù)：
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選取R18=56K?,R17=5.1K?,根據(jù)公式(4)、(5)可得F=0.92,Q=3.125。這種陷波器電路能有效地濾除50Hz工頻產(chǎn)生的干擾,而且Q值的提高保證了有用信號不被衰減。

低通濾波電路
從整個系統(tǒng)來看,除了要抑制50Hz工頻信號外,還應限制高頻信號,這就要使用低通濾波器。最常用的全極點濾波器有巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。就靠近ω=0處的幅頻特性而言,巴特沃斯濾波器比切比雪夫濾波器平直,即在頻率的低端巴特沃斯濾波器幅頻特性更接近理想情況。但在接近截止頻率和在阻帶內(nèi),巴特沃斯濾波器則較切比雪夫濾波器差得多。本設(shè)計中要保證低頻信號不被衰減,而對高頻要求不高,因此選擇了巴特沃斯濾波器。同時考慮到本設(shè)計需要正反饋,所以選用了能產(chǎn)生正相增益的壓控電壓源濾波器(VCVS)。
本設(shè)計中選擇了兩組不同參數(shù)的元器件,來構(gòu)成兩個低通濾波電路。這樣濾波效果要比兩個參數(shù)相同的濾波電路的效果要好。各實用元件值如圖3、4所示。
此外,為了保證輸入高阻抗,輸出低阻抗,以及濾波的穩(wěn)定性,可以在電路中加入跟隨器。同時電路中還應加入反比例運算電路以提高放大倍數(shù)。至此,濾波器設(shè)計基本完成。
濾波器的調(diào)試
在對本濾波器的調(diào)試時輸入了峰值電壓為20mV的正弦信號,為保證輸出的信號不飽和,將放大倍數(shù)定為300倍,并在示波器上觀察輸出波形。
從實際波形看出該濾波器的50Hz信號得到較大的衰減,并且阻帶較窄,從而使臨近頻率的信號得到保留。同時高頻信號也被衰減,而500Hz以下的信號則衰減較少。從而滿足了本設(shè)計的要求。

本濾波器和VISHEEG
16-24AMP濾波器的比較
VISHEEG16-24AMP是一種醫(yī)用心電信號放大器,性能穩(wěn)定,抗干擾性強。但通過實際實驗發(fā)現(xiàn),VISHEEG16-24AMP濾波器的選頻范圍 較窄,信號在40Hz以上的都被衰減,而表面肌電信號的有效信號范圍在10Hz~500Hz。如果使用VISHEEG16-24AMP濾波器進行表面肌電信號的拾取,必然會損失大量有效信號,因此VISHEEG16-24AMP濾波器并不適合用于表面肌電信號的拾取,必須使用本文設(shè)計的專用表面肌電信號濾波器。VISHEEG16-24AMP濾器與表面肌電信號專用濾波器性能比較如表1所示。

結(jié)語
本文針對表面肌電信號的特性設(shè)計了專用的濾波器,基本能滿足表面肌電信號拾取的需要。此濾波器在工頻信號的處理上性能十分理想,但在高頻段信號的處理上還可以通過提高低通濾波器的階數(shù)加以改進。專用濾波器的設(shè)計還只是表面肌電信號研究的第一步,接下來要進行信號分析和特征提取。本文介紹的表面肌電信號專用有源濾波器設(shè)計為下一步信號處理打下了良好的基礎(chǔ)?！?/P>

參考文獻
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