引言

在生物信號采集的過程中，信號的幅度因被測對象、不同種類的生物電勢的頻譜、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)不同的被測對象調節(jié)模擬前端的放大器放大倍數(shù)以及帶寬。實現(xiàn)這類調節(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現(xiàn)一個RMS-DC轉換器或把經(jīng)放大的EMG（肌電）信號數(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可編程組件中實現(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信號的幅度范圍從10 μV至1 mV，這些信號需要放大至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。濾波器一級也采用模擬電路實現(xiàn)，當帶外頻率需要進一步的衰減時，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EMG信號進行采集和模擬處理的電路實現(xiàn)方案，這個模擬信號處理方案的目的就是為了從EMG信號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)字電路設計一樣，F(xiàn)PAA給模擬電路設計引入了方便的原型設計方法并縮短了設計時間。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并把路由網(wǎng)絡連接起來。FPAA是一種可以被編程和再次編程的集成電路，可以對模擬電路功能執(zhí)行路由端的調整。電路配置文件由個人電腦、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間均可變，對于已經(jīng)完成的功能配置可以通過新的下載進行改變或實時升級進行重新配置。

基于開關電容技術的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生物學信號的采集和處理。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以及60Hz電源線干擾最小化。

電路描述

電路的實現(xiàn)利用AnadigmDesigner 2軟件實現(xiàn)，其中，包括電路仿真器以及一個可編程器件，利用在AN220D04評估板上的串行接口實現(xiàn)工作測試。由電池供電的評估板利用光學接口被連接至一臺計算機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信號采集和處理的系統(tǒng)的方框圖

對EMG信號的采集

通過表面電極采集的EMG信號的幅度在10 μV至1 mV范圍內，然而，共模信號(干擾)可能高達幾伏。研究人員以前推薦采用幾種技術把FPAA與其它模擬電路接口，但是，它們均不適合于對生物電勢的采集，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，這些信號不會因放大器的偏置而改變。對于肌電信號來說，在10Hz以下它具有可以忽略不計的成分，但是，正是由FPAA提供的模擬前端選項提供較好的采集結果。

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

模擬信號濾波

EMG信號的帶寬被定義為從50 Hz至350 Hz。作為一個設計選項，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。這是利用一個二階切比雪夫帶通濾波器以及一個雙線性濾波器來實現(xiàn)的，因此，對低頻的衰減為每十倍頻程20dB，對高于帶寬的頻率的衰減是每十倍頻程40dB。

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

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、雙二次帶通濾波器以及低通雙線性濾波器的轉移函數(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因子。

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