CN201578241U - 一种表面肌电信号滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种表面肌电信号滤波器，涉及生物电控制技术领域，所述滤波器包括：第一电极、第二电极、初级放大电路、陷通滤波电路、低通滤波和高通滤波电路、可变放大电路；第一电极、第二电极采集表面肌电信号作为输入信号分别与低功耗放大器电路的正、负输入端，所述初级放大器电路和所述陷通滤波电路相连；所述陷通滤波电路的输出端和所述低通滤波和高通滤波电路相连；所述低通滤波和高通滤波电路的输出端和所述可变放大电路相连。本实用新型可以有效地获得稳定的表面肌电信号，能够使用绝缘胶覆盖滤波器表面，较少受到干扰，体积小，使用方便，并且双传感器电极测一个肌肉群，减少了电极的使用，降低成本，滤波效果可以根据被测对象的不同进行调节，从而获得不同的放大效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物电控制技术领域，特别是涉及一种表面肌电传感器技术。
背景技术
人控制肢体运动时，相应指令从大脑以电冲动的形式经过脊髓、运动神经传给肌肉，致使神经肌肉接头处的突触发生电化学反应，使得肌肉产生收缩，同时产生电信号，即表面肌电信号(Surface Electromyography，简称sEMG)。
表面肌电信号是伴随肌肉活动的生物电信号在体表的体现，人根据自身意识控制不同肌肉产生运动时，相应的表面肌电信号也不同。有效稳定地识别肌电信号，可以识别人对肌肉的控制意图，对于体育科学研究、康复医学等基础研究具有重要的学术价值和应用意义。
然而表面肌电信号一般只有微伏级电压，并且其信号中夹带着接近直流的低频干扰信号和高频干扰信号，而真正有用的肌电信号大致在2-500Hz之间。另外，工频信号(50-60Hz)也是一个重要的干扰源，它的频率恰好在表面肌电信号能量集中的频段，且其幅度比表面肌电信号大1-3个量级，如不去除将会严重影响表面肌电信号。根据这些特殊要求，滤波器必须具有隔直、滤波的功能，并且要求具有高共模抑制比和较好的抗干扰性。
现有的Ottobock公司所生产的表面肌电传感器由前置级、放大级、陷波级和输出级组成。其前置级采用一个运算放大器组成差动输入形式，陷波级采用无源双T网络，存在输入阻抗低、信号损失大以及对抗工频干扰能力弱等缺点。
在实际应用中，利用3个肌电信号传感器采集表面肌电信号，所测得的表面肌电信号往往通过A/D转换的方式导入。另外，传统的表面肌电传感器的输出放大倍率固定。然而不同人、不同肌肉群的表面肌电信号的大小都不同。因此，采用固定放大倍率的方式易导致所采集的不同人的肌电信号有可能过小难以应用，或者所采集的肌电信号太大，丢失峰值信号等问题。
实用新型内容
基于上述技术问题，本实用新型提出了一种新的表面肌电信号滤波器，能够对表面肌电传感器采集信号进行去除表面肌电信号中夹带的低频干扰信号、高频干扰信号和50-60Hz的工频干扰信号等处理，从而获得真正有用的肌电信号，保证滤波后的信号其频率范围大致在2-500Hz之间(不包含50-60Hz)，并且，采用可变放大倍率的方式，使滤波器可以根据不同使用要求提供相应大小的肌电信号，尽可能地滤掉外界噪声干扰，从而获取稳定有效的人体皮肤表面的肌电信号。
一种表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：第一电极、第二电极、初级放大电路、陷通滤波电路、低通滤波和高通滤波电路、可变放大电路；第一电极、第二电极采集表面肌电信号作为输入信号分别与低功耗放大器电路的正、负输入端，所述初级放大器电路和所述陷通滤波电路相连；所述陷通滤波电路的输出端和所述低通滤波和高通滤波电路相连；所述低通滤波和高通滤波电路的输出端和所述可变放大电路相连，其中：
初级放大电路包括AD系列低功耗放大器U17，以及隔直电容(C3，C4，C7)，所得初级放大信号从放大器(U17)的B_PIN6端输出；
陷通滤波电路包括切换开关(U1)、电容(C1，C2，C9，C14)、电阻(R2，R3，R4，R10)，用于去掉输入信号中的50-60Hz的工频信号，所得陷通信号从切换开关(U1)的C_SW1_PIN3端输出；
低通滤波和高通滤波电路包括，起隔直作用的电容(C5，C6)，起低通滤波作用的(C10，C12，R5，R6)，起高通滤波作用的(C8，C11，C13，R7，R8)所得肌电信号从运算放大器U13的LINE_HUANG端输出；
可变放大电路对经过滤波的肌电信号进行可调整放大。
所述两个表面肌电传感器电极电极间距小于30mm，且覆盖表面肌电信号sEMG有效波形范围；
所述两个表面肌电传感器电极电极间距优选为20mm；
所述初级放大电路中的隔直电容C3，C4，C7取值范围是10nF-10μF；
所述陷通滤波电路中的电容C1，C2，C9，C14，取值范围是10nF-10μF，电阻R2，R3，R4，R10取值范围1KΩ-50KΩ；
所述低通滤波和高通滤波电路中的电容C5，C6，C8，C10，C11，C12，C13取值范围是10nF-10μF，所述电阻R5，R6，R7，R8取值范围是100Ω-200KΩ；
所述可变放大电路中采用可变电位器U19，U19小于或等于1000KΩ。
与现有技术相比，本实用新型滤波效果好，可以有效地获得稳定的表面肌电信号，能够使用绝缘胶，较少受到外界干扰，体积小，使用方便，双传感器电极测一个肌肉群，减少了电极的使用，降低应用成本，并且滤波效果可以根据被测对象的不同进行调节，以获得不同的放大效果。
附图说明
图1为本实用新型的表面肌电信号滤波器的整体电路图；
图2为本实用新型的表面肌电信号滤波器的表面肌电采集信号初级放大电路图；
图3为本实用新型的表面肌电信号滤波器的陷通滤波电路图；
图4为本实用新型的表面肌电信号滤波器的低通滤波和高通滤波电路图；
图5为本实用新型的表面肌电信号滤波器的肌电滤波信号可变放大电路图。
具体实施方式
为了获得有效的肌电信号并降低使用成本，本实用新型改进为仅采用2个肌电信号传感器电极，其采集到的信号输入到滤波器的输入端。为了方便使用该滤波器且覆盖表面肌电信号的有效波形范围，两电极间距小于等于30mm，优选方案是两电极间距在20mm左右。
表面肌电信号中夹带着大量接近于直流的低频干扰信号、高频干扰信号、以及工频干扰信号，而真正有用的肌电信号的频率范围大致在2-500Hz之间(不包含50-60Hz的工频信号)。由于表面肌电信号幅值范围一般在0.5mv左右，在实际应用中需要进行放大。
图1为本实用新型的表面肌电信号滤波器的整体电路图。
为解决上述问题并获得稳定的表面肌电信号，本实用新型设计的放大滤波电路，对从表面肌电传感器电极检测出的信号进行放大、隔直后，输入陷通滤波电路以去掉50-60Hz的工频信号，然后输入低通滤波和高通滤波电路以获得2-500Hz之间的肌电信号，最后根据需要对经过滤波后的肌电信号进行可变放大，例如本实用新型中选用的是可变电位器，本领域的技术人员还可以通过考虑选择其他的方式来实现这样的可变放大。
以下结合附图描述本实用新型的具体电路实施方案：
如图1所示，设置于被测表面2个表面肌电传感器电极所采集到的表面肌电信号作为表面肌电信号的两个信号采集的输入端`EMG_1和EMG_2，U17为本实用新型采用的AD系列低功耗放大器进行放大；以及起隔直作用的电容C3，C4，C7，取值范围10nF-10μF，所得的初级放大信号从B_PIN6端输出；
如图2所示，将从初级放大电路B_PIN6端输出的信号输入到陷通滤波电路中，U1为切换开关，电容C1，C2，C9，C14取值范围10nF-10μF，电阻R2，R3，R4，R10取值范围1KΩ-50KΩ，该电路用于去掉输入信号中的50-60Hz的工频信号，所得陷通信号从C_SW1_PIN3端输出；
如图3所示，从陷通滤波电路的C_SW1_PIN3端输出的信号输入到LM系列运算放大器U13进行低通滤波和高通滤波，根据LM运算放大器的手册可以确定以下元件连接所起的作用：电容C5，C6起隔直作用，C10，C12，R5，R6起低通滤波作用，C8，C11，C13，R7，R8起高通滤波作用。其中，电容C5，C6，C8，C10，C11，C12，C13取值范围10nF-10μF，电阻R5，R6，R7，R8取值范围100Ω-200KΩ，以获得2-500Hz(不包含50-60Hz的工频信号)范围内的肌电信号，所得肌电信号从LINE_HUANG端输出；
如图4所示，为了获得可以实际使用的肌电信号，通过可变电位器根据需要对经过滤波的肌电信号进行放大，可变电位器U19小于等于1000KΩ。
为了进一步提升本实用新型的功能，还可增加以下附属设计：
导线外包裹金属网以屏蔽外界信号噪声；
使用绝缘胶，绝缘塑料，或绝缘橡胶等覆盖整个滤波器，减少外界干扰；
干电池供电，使用方便(也可用直流电源)；
体积小：长58mm，宽17mm，厚度4mm；
两电极间距小于30mm且覆盖sEMG有效波形范围(两电极间距的优选距离值在20mm左右)。
Claims (7)
1.一种表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：第一电极、第二电极、初级放大电路、陷通滤波电路、低通滤波和高通滤波电路、可变放大电路；第一电极、第二电极采集表面肌电信号作为输入信号分别与低功耗放大器电路的正、负输入端，所述初级放大器电路和所述陷通滤波电路相连；所述陷通滤波电路的输出端和所述低通滤波和高通滤波电路相连；所述低通滤波和高通滤波电路的输出端和所述可变放大电路相连，其中：
初级放大电路包括AD系列低功耗放大器U17，以及隔直电容(C3，C4，C7)，所得初级放大信号从放大器(U17)的B_PIN6端输出；
陷通滤波电路包括切换开关(U1)、电容(C1，C2，C9，C14)、电阻(R2，R3，R4，R10)，用于去掉输入信号中的50-60Hz的工频信号，所得陷通信号从切换开关(U1)的C_SW1_PIN3端输出；
低通滤波和高通滤波电路包括，起隔直作用的电容(C5，C6)，起低通滤波作用的(C10，C12，R5，R6)，起高通滤波作用的(C8，C11，C13，R7，R8)所得肌电信号从运算放大器U13的LINE_HUANG端输出；
可变放大电路对经过滤波的肌电信号进行可调整放大。
2.如权利要求1所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述第一电极、第二电极间距小于30mm，且覆盖表面肌电信号的有效波形范围。
3.如权利要求2所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述第一电极、第二电极间距为20mm。
4.如权利要求1所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述初级放大电路中的隔直电容(C3，C4，C7)取值范围是10nF-10μF。
5.如权利要求1所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述陷通铝滤波电路中的电容(C1，C2，C9，C14)，取值范围是10nF-10μF，电阻(R2，R3，R4，R10)取值范围1KΩ-50KΩ。
6.如权利要求1所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述低通滤波和高通滤波电路中的电容(C5，C6，C8，C10，C11，C12，C13)取值范围是10nF-10μF，所述电阻(R5，R6，R7，R8)取值范围是100Ω-200KΩ。
7.如权利要求1所述表面肌电信号滤波器，其特征在于，所述可变放大电路中采用可变电位器(U19)，U19小于或等于1000KΩ。
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