引言

在生物信號(hào)采集的過程中，信號(hào)的幅度因被測(cè)對(duì)象、不同種類的生物電勢(shì)的頻譜、不同的肌肉群以及皮膚電極耦合等因素而異，所以，通常需要根據(jù)不同的被測(cè)對(duì)象調(diào)節(jié)模擬前端的放大器放大倍數(shù)以及帶寬。實(shí)現(xiàn)這類調(diào)節(jié)的一種可能選擇就是采用可編程模擬陣列(FPAA)，通過采用可編程模擬陣列實(shí)現(xiàn)一個(gè)RMS-DC轉(zhuǎn)換器或把經(jīng)放大的EMG（肌電）信號(hào)數(shù)字化并在微處理器中處理RMS數(shù)值。FPAA讓需要的全部模擬電路在一個(gè)可編程組件中實(shí)現(xiàn)，它確保更大的系統(tǒng)靈活性以及可靠性，并縮小電路的尺寸和降低成本。

在EMG信號(hào)的處理中，前端利用模擬電路完成的好處在于，被采集的EMG信號(hào)的幅度范圍從10 μV至1 mV，這些信號(hào)需要放大至60-100dB，因此，利用具有高共模抑制比(CMRR)的集成儀表放大器可以最小化共模干擾的影響。濾波器一級(jí)也采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)帶外頻率需要進(jìn)一步的衰減時(shí)，通常采用二階或四階低通和高通濾波器。

本文介紹利用Anadigm  FPAA對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行采集和模擬處理的電路實(shí)現(xiàn)方案，這個(gè)模擬信號(hào)處理方案的目的就是為了從EMG信號(hào)獲得足夠的生物特征，以控制諸如假肢或電刺激器這樣的外部設(shè)備。

FPAA的特性

正如可編程門陣列(FPGA)已經(jīng)變革了數(shù)字電路設(shè)計(jì)一樣，F(xiàn)PAA給模擬電路設(shè)計(jì)引入了方便的原型設(shè)計(jì)方法并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。在FPAA中最重要的單元是可配置模擬模塊(CAB)，由它巧妙地處理各種信號(hào)并把路由網(wǎng)絡(luò)連接起來。FPAA是一種可以被編程和再次編程的集成電路，可以對(duì)模擬電路功能執(zhí)行路由端的調(diào)整。電路配置文件由個(gè)人電腦、系統(tǒng)控制器或附帶的EEPROM下載至FPAA之中，從而產(chǎn)生功能完整的電路。該電路配置在任何時(shí)間均可變，對(duì)于已經(jīng)完成的功能配置可以通過新的下載進(jìn)行改變或?qū)崟r(shí)升級(jí)進(jìn)行重新配置。

基于開關(guān)電容技術(shù)的Anadigm  AN221E04 FPAA具有可配置特性的若干CAB，并能夠被編程為執(zhí)行不同的功能，如濾波器、放大器、乘法器、比較器以及其它功能。這些功能可以被用于對(duì)生物學(xué)信號(hào)的采集和處理。此外，F(xiàn)PAA斷續(xù)放大器具有102dB的CMRR，從而把共模干擾信號(hào)以及60Hz電源線干擾最小化。

電路描述

電路的實(shí)現(xiàn)利用AnadigmDesigner 2軟件實(shí)現(xiàn)，其中，包括電路仿真器以及一個(gè)可編程器件，利用在AN220D04評(píng)估板上的串行接口實(shí)現(xiàn)工作測(cè)試。由電池供電的評(píng)估板利用光學(xué)接口被連接至一臺(tái)計(jì)算機(jī)以確保病人的安全性。

上述系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

圖1  用于EMG信號(hào)采集和處理的系統(tǒng)的方框圖

對(duì)EMG信號(hào)的采集

通過表面電極采集的EMG信號(hào)的幅度在10 μV至1 mV范圍內(nèi)，然而，共模信號(hào)(干擾)可能高達(dá)幾伏。研究人員以前推薦采用幾種技術(shù)把FPAA與其它模擬電路接口，但是，它們均不適合于對(duì)生物電勢(shì)的采集，因此，研究人員提出了一種新的配置，其中，參考電極被連接至FPAA的參考引腳(VMRR)，而有源電極被直接連接至斷續(xù)輸入。

斷續(xù)放大器被用于放大具有直流成分的、非常小和非常低頻的信號(hào)，這些信號(hào)不會(huì)因放大器的偏置而改變。對(duì)于肌電信號(hào)來說，在10Hz以下它具有可以忽略不計(jì)的成分，但是，正是由FPAA提供的模擬前端選項(xiàng)提供較好的采集結(jié)果。

把干擾源最小化是通過采用屏蔽技術(shù)、利用更短的電纜、防止出現(xiàn)地環(huán)路、在電極區(qū)準(zhǔn)備好被測(cè)皮膚以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極來實(shí)現(xiàn)的。這些措施使得對(duì)信號(hào)的采集具有足夠的信噪比，以便于在模擬域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的信號(hào)處理。

模擬信號(hào)濾波

EMG信號(hào)的帶寬被定義為從50 Hz至350 Hz。作為一個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，可以采用低階濾波器配置，從而以足夠的信噪比來捕獲EMG信號(hào)。這是利用一個(gè)二階切比雪夫帶通濾波器以及一個(gè)雙線性濾波器來實(shí)現(xiàn)的，因此，對(duì)低頻的衰減為每十倍頻程20dB，對(duì)高于帶寬的頻率的衰減是每十倍頻程40dB。

輸入級(jí)利用被配置為具有64倍增益的斷續(xù)放大器來實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)濾波器級(jí)是中心頻率為200Hz、5倍增益、帶寬300Hz的帶通濾波器；第二級(jí)是一個(gè)截止頻率為500Hz、增益為20的低通濾波器。信號(hào)調(diào)理電路的總增益為6400(76dB)。所有的參數(shù)可以在任何時(shí)間被重新配置。

采集電路的傳輸函數(shù)如方程1和2所示，它們分別代表了斷續(xù)輸入級(jí)、雙二次帶通濾波器以及低通雙線性濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

其中，GChopper是斷續(xù)放大器的增益；GBP是帶通濾波器的增益；GLP是低通濾波器的增益；fBP是帶通濾波器的中心頻率；fLP是低通濾波器的截止頻率；Q是帶通濾波器的品質(zhì)因子。

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