表面肌电信号数字传感器设计
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计在近年来，随着对人体生理信号获取与应用的需求增加，表面肌电信号（surface electromyography, sEMG）检测成为一个热门的研究领域。
sEMG信号可以用于识别人体肌肉活动和运动意图，已广泛应用于康复医学、人机交互等领域。
为了更好地获取sEMG信号并提高检测效果，设计一款支持多通道与多传感器的sEMG检测电路成为了研究的重点。
1.电路设计需求在进行sEMG信号检测时，多通道和多传感器的设计能够提供更全面和准确的信号信息，进而增强信号处理和应用的效果。
因此，一个理想的sEMG检测电路应具备以下几个方面的设计需求：1.1 多通道设计：为了获取不同位置的肌肉活动信息，电路需要支持多通道信号采集。
每个通道应具备独立的信号放大和滤波功能，以确保信号的准确性和可靠性。
1.2 多传感器设计：为了实现高密度的信号采集和监测，电路需要支持多传感器的连接。
每个传感器需要具备高灵敏度和高稳定性，以获得精确的sEMG信号。
1.3 噪声抑制：sEMG信号往往较弱且容易受到噪声干扰，所以电路设计需要具备良好的噪声抑制能力，以提高信号的质量和准确性。
1.4 数据采集与传输：为了方便信号的采集和处理，电路应支持数据的实时采集与传输，能够与计算机或其他设备进行连接和通信。
2.电路设计方案基于上述设计需求，下面给出一种满足多通道与多传感器的sEMG检测电路设计方案。
2.1 多通道设计每个通道的信号采集流程应包括：肌肉表面的信号获取、信号放大、滤波和采样等步骤。
肌肉表面的信号获取：通过粘贴电极或穿戴电极数组等方式，将电极贴附在待检测的肌肉表面。
电极与肌肉之间的肌电信号即可被获取。
信号放大：使用电荷放大器或运算放大器对肌电信号进行放大，以增加信号的振幅，并使之适应后续处理的要求。
滤波：肌电信号中常常伴随着高频噪声和电源干扰等不希望的成分。
因此，应对信号进行低通滤波和带阻滤波等处理，以去除干扰。
高精度表面肌电信号检测电路的设计要点
高精度表面肌电信号检测电路的设计要点肌电信号（Electromyography，简称EMG）是人体运动产生的生物电信号之一，它包含了人体肌肉的活动信息，对于运动控制研究和康复医学具有重要意义。
为了准确地测量表面肌电信号，需要设计一种高精度的肌电信号检测电路。
本文将介绍设计这种电路的要点。
一、信号放大器设计1. 增益选择：针对表面肌电信号的微弱特点，需要选择适当的放大倍数。
通常情况下，增益应在1000～2000之间，以充分放大信号且避免过度放大引起的干扰。
2. 噪声抑制：为了提高测量信号的信噪比，可以采用差分放大电路来抑制共模噪声，同时通过滤波器技术去除高频噪声。
3. 输入阻抗：应选择适当的高输入阻抗以减小电极接触阻抗对信号测量的影响。
二、滤波器设计1. 带通滤波器：为了消除噪声和干扰，需要设计一个带通滤波器，将信号限制在感兴趣的频率范围内。
通常选择10 Hz至500 Hz的通道带宽。
2. 噪声高频截止滤波器：为了进一步去除高频噪声，可以添加一个高频截止滤波器，通常将截止频率选取在500 Hz以上。
3. 采样率选择：为了充分还原原始信号的细节，采样率应选择为采样频率的两倍以上。
三、电极设计1. 选择合适的电极材料：应选择导电性好、与皮肤接触良好的材料作为电极，如银/银氯化银电极。
2. 电极间距：电极间距需要适当，一般在2~4厘米之间，以兼顾测量信号的质量和人体舒适度。
3. 抗干扰能力：电极的设计应具备较好的抗干扰能力，以避免外界电源干扰对测量结果的影响。
四、参考电极设计1. 参考电极的选择：为了保证信号的稳定性和一致性，通常会选择一个参考电极与测量电极配对使用，参考电极可以选用身体其他部位的电极。
2. 阻抗匹配：参考电极和测量电极之间的阻抗应匹配，以减小干扰信号对测量的影响。
五、抗干扰设计1. 屏蔽设计：为了防止来自外界的电磁干扰，需要对电路进行屏蔽设计，例如使用金属屏蔽罩或层压板。
2. 接地设计：良好的接地设计可以有效减小干扰信号对测量结果的影响。
基于表面肌电信号检测的电路设计与实现
基于表面肌电信号检测的电路设计与实现随着人们对健康和运动的重视，肌肉状态的监测成为了一个热门的研究领域。
而基于表面肌电信号检测的电路设计与实现，成为了一种重要的手段。
本文将介绍基于表面肌电信号检测的电路设计原理、实现方法以及相关应用。
一、电路设计原理1. 表面肌电信号(Surface Electromyography，简称sEMG)的原理表面肌电信号是指在肌肉活动时，由于神经冲动引起的肌肉电位差，通过肌肉表面的电极传感器检测得到的信号。
sEMG信号的频率范围通常在0.05~500Hz之间，幅值较小（微伏级别）。
2. sEMG信号电路设计原理a. 信号采集电路设计：为了获取到肌肉表面的微弱sEMG信号，需要设计合适的前置放大电路，以提高信号的幅值和可靠性。
b. 滤波电路设计：sEMG信号中可能包含许多噪声，如电源干扰、肉体运动干扰等。
因此需要设计滤波电路，将噪声滤除，保留有用的肌肉信号。
c. 增益和放大器设计：为了进一步增大信号幅值，需要使用放大器对滤波后的信号进行放大，以便后续处理和分析。
d. 信号处理电路设计：设计合适的信号处理电路，如滤波器、放大器和AD转换器等，使得sEMG信号能够适应后续的数字处理。
二、电路实现方法1. 选择合适的电路元件在实现基于表面肌电信号检测的电路时，需要选择合适的电路元件。
例如，前置放大器可以使用低噪声、高增益的运算放大器；滤波器可以使用带通滤波器或高通滤波器来滤除不需要的频率成分等。
2. 连接电路元件将选择好的电路元件进行连接，组成完整的电路。
在连接过程中，需要注意保持电路的整洁，避免线路之间产生干扰，影响信号的准确检测。
3. 电路调试与测试完成电路连接后，需要进行调试和测试。
通过输入模拟sEMG信号，观察电路的输出是否与预期一致，并进行必要的调整，以确保电路的正常工作。
三、应用领域1. 生物医学工程基于表面肌电信号检测的电路在生物医学工程领域有着广泛应用。
例如，用于研究肌肉活动、运动控制，帮助康复患者恢复功能等。
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计表面肌电（surface electromyography，sEMG）信号是一种用于检测肌肉活动的信号，常用于医学、康复和运动科学等领域。
在设计表面肌电信号检测电路时，采用多通道与多传感器的设计方案能够提高信号质量和测量准确度，本文将就此进行探讨。
一、多通道设计在表面肌电信号检测电路中，多通道设计能够同时采集来自不同位置的肌肉信号，从而提供更全面和准确的肌肉活动信息。
多通道设计的核心是模拟前端电路，它能够放大和滤波输入信号，并将信号转化为数字形式供后续处理。
为了实现多通道设计，可以采用多路放大器来处理不同通道的信号。
每个放大器的增益和滤波频率可以针对不同通道进行调整，以满足不同肌肉信号的特征。
此外，为了减少通道间的干扰，还可以采用差动放大器架构。
差动放大器通过比较两个输入信号的差异来消除共模干扰，提高信号的抗干扰能力。
二、多传感器设计多传感器设计能够进一步提高表面肌电信号的检测能力。
通过在不同位置放置多个传感器，可以同时监测多个肌肉的活动情况，从而获得更为准确的肌肉活动模式。
多传感器设计需要考虑传感器的选型和布局。
选择合适的传感器能够提高信号的灵敏度和稳定性。
常用的肌电传感器包括干式电极和湿式电极，它们具有不同的特点和适用范围。
在布局方面，应根据监测目标和肌肉结构来确定传感器的位置，确保能够充分覆盖所需监测的肌肉区域。
为了实现多个传感器的数据采集和处理，可以采用多通道数据采集系统。
该系统能够同时读取并存储多个传感器的信号，以供后续的信号处理和分析。
在选择数据采集系统时，需要考虑输入通道数、采样频率和数据传输方式等因素，以满足实际需求。
三、综合设计方案在实际应用中，多通道与多传感器的设计方案可以综合使用，以实现更为全面和准确的表面肌电信号检测。
这样的设计方案能够充分利用现有的技术手段，提高信号的采集和处理效果。
综合设计方案的实现需要兼顾多通道电路和多传感器布局的要求。
表面肌电信号检测电路的原理与设计方法
表面肌电信号检测电路的原理与设计方法表面肌电信号（Surface Electromyographic Signals, sEMG）是一种用于检测人体肌肉活动的生物电信号。
sEMG信号检测电路的设计是为了提取和测量这些信号，用于各种应用，如康复医学、运动控制、人机交互等。
本文将介绍sEMG信号检测电路的原理、设计方法和相关考虑因素。
一、表面肌电信号简介表面肌电信号是通过肌肉纤维活动而产生的电信号，由肌肉活动引起的离子流动引起了肌肉组织的生物电势变化。
sEMG信号具有较低的幅度和较高的噪声水平，需要通过合适的电路设计和信号处理技术来提取有用的信息。
二、表面肌电信号检测电路的原理表面肌电信号检测电路主要由前置放大器、滤波器和增益控制器组成。
其工作原理如下：1. 前置放大器：前置放大器用于增强sEMG信号的幅度，以便后续的信号处理。
由于sEMG信号的幅度较小，前置放大器应具有高放大倍数、低噪声和宽频带特性。
常用的前置放大器电路包括差分放大器和双电源放大器。
2. 滤波器：滤波器用于去除sEMG信号中的噪声和无关频率成分，以提取感兴趣的信号。
常用的滤波器包括低通滤波器和带通滤波器。
低通滤波器主要用于去除高频噪声，带通滤波器可选择性地通过感兴趣的频率范围。
3. 增益控制器：增益控制器可根据需求调整sEMG信号的放大倍数，以适应不同的应用场景。
它可以通过选择不同的反馈电阻或电压增益控制电路来实现。
三、表面肌电信号检测电路的设计方法在设计表面肌电信号检测电路时，需要考虑以下因素：1. 电源选择：应选择适宜的电源电压和电流，以满足电路的工作要求，并保证信号的质量和稳定性。
2. 前置放大器设计：根据sEMG信号的幅度和噪声水平，选择合适的放大倍数和前置放大器电路。
同时，注意选择低噪声、宽频带的运算放大器和适当的反馈电路。
3. 滤波器设计：根据应用需求，选择合适的滤波器类型和截止频率。
滤波器的设计应考虑滤波器特性、阶数和滤波器电路的实现方式。
表面肌电信号检测电路的实时手势识别与控制方法
表面肌电信号检测电路的实时手势识别与控制方法随着科技的不断发展，人机交互技术越来越成为研究的热点之一。
而手势识别作为一种直观、自然的交互方式，被广泛应用于智能设备、虚拟现实以及医疗康复等领域。
而表面肌电信号检测电路则是手势识别的基础，它能够将人体肌肉的电信号转化为可供分析处理的电压信号。
本文将介绍一种实时手势识别与控制方法，详细讨论了表面肌电信号检测电路的原理和设计。
第一部分：表面肌电信号检测电路的原理在开始介绍具体的手势识别与控制方法之前，我们需要了解表面肌电信号检测电路的工作原理。
表面肌电信号是通过肌肉运动产生的微弱电流信号，其幅度和频率变化与手势动作密切相关。
在信号检测电路中，主要包含肌电信号采集和信号放大两个环节。
第二部分：表面肌电信号采集表面肌电信号的采集需要使用肌电传感器，其主要作用是将肌肉的电信号转化为电流信号。
传感器的选择需要考虑其灵敏度、适配性以及抗干扰能力等因素。
一种常见的传感器是肌电贴片传感器，其能够方便地贴附在肌肉表面，实时采集肌电信号。
第三部分：表面肌电信号放大由于肌电信号强度较弱，为了方便后续分析处理，需要将信号放大至合适的范围。
通常采用差动放大器的形式对信号进行放大，同时通过滤波电路去除噪声。
一般使用带通滤波器以滤除不相关的频率成分，同时保留肌电信号的有效频率范围。
第四部分：实时手势识别与控制方法在完成表面肌电信号的采集和放大之后，接下来需要将其应用于手势识别与控制。
一种常见的方法是使用模式识别算法，通过训练样本进行学习，识别与手势相对应的特征模式。
常用的算法包括支持向量机、人工神经网络以及决策树等。
此外，还可以结合深度学习等方法提高识别的准确性和鲁棒性。
第五部分：实验验证与应用展望为了验证表面肌电信号检测电路的有效性和可行性，实验是必不可少的。
可以通过收集一系列手势动作的肌电信号数据集，并进行数据分析和模型训练。
通过实验的结果，我们可以评估手势识别与控制方法的准确性和实时性，并且对其应用于实际产品进行展望。
2014课程设计_表面肌电信号采集
课程设计任务书
表面肌电信号采集
一、任务指南
肌肉收缩时伴随的电信号，表面肌电信号是各个运动单元动作电位在表面电极处之和，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。
本研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，实现对手指运动或抓握力量的估计。
图1 表面肌电信号及其分解
图2 手指运动的肌电识别
二、设计原理
原理框图如图3所示，输入为差分输入，AD转化采用我们购买的NI的AD 采集卡（16位），PC机上可采用matlab或Labview对采集的肌电信号的处理，显示手指运动或握力大小。
图3 表面肌电采集电路结构
三、技术指标
（1）肌电信号采集电路
4通道差分输入，CMRR>100dB，噪声<2uV，输入阻抗>110M欧姆，频带：0.1-500Hz，放大倍数1000，测量精度： 1uV/最小刻度。
（2）应用matlab/Labview对肌电信号分析
肌电信号的时域和频域特征分析，能区分手指的弯曲与伸展或握力的大小。
四、设计要求
1、查阅文献，了解表面肌电信号特点和采集电路。
2、按设计要求，独立完成肌电采集电路的设计，使用电路设计软件（PROTEL/Altium Designer/orCAD/Multisim）完成检测电路图和PCB板绘制。
3、在通用板上完成电路的焊接与调试。
五、参考器件
AD8220 4片；OP4177 3片
电阻、电容、导线、电极若干。
表面肌电刺激反馈仪硬件电路设计概况
表面肌电刺激反馈仪硬件电路设计概况摘要:肌电刺激反馈仪是将生物反馈技术和电信号刺激手段相结合,通过传感器电极对人体肌肉部位灌入正负电脉冲信号进行刺激，该脉冲信号可根据方案不同，而选择不同的刺激频率、脉冲宽度、电流强度、和刺激/间歇时间等的被动电脉冲恒电流信号，可对不同情况的患者进行相应的神经肌肉电刺激方案。
关键词:sEMG，肌电采集，电刺激引言肌电刺激反馈仪全名为表面肌电刺激反馈系统（sEMG），该产品已经逐渐应用于医院康复医学科、神经内科、老年医学科等，主要面向各类医院康复科和神经科的新一代多功能的诊断和治疗设备。
一、关于肌电刺激反馈仪1.1 产品概况：肌电刺激反馈仪是将肌电信号检测、电刺激以及实时控制技术相结合的设备。
1.2肌电刺激反馈仪相关标准设计标准：《肌电生物反馈仪》YY/T 1095-2015,《医用电气设备-安全通用要求》GB-9706.1。
二、肌电刺激反馈仪硬件设计简述本文将肌电刺激反馈仪硬件研发设计分为：肌电采集硬件设计，电刺激信号硬件设计和核心数字控制板设计部分。
2.1 肌电采集硬件设计2.1.1 硬件电路原理图设计肌电采集硬件电路设计，主要包含肌电模拟信号输入前置仪表放大电路，50HZ工频陷波电路，二级信号放大器，光电耦合器隔离电路，末级放大器及缓冲器，ADC转换器电路和右腿电路原理图设计等a)肌电模拟信号输入前置仪表放大电路原理图设计前置放大器以仪表运算放大器芯片AD8422A为核心，通过电极片传感器连接到人体肌肤获取到uV级微弱肌电信号，经过电容组滤波后获得有用频率范围的微弱信号，差分输入信号送至仪表运放的输入口IN+/IN-，前置放大器放大倍数设定值约30倍。
b)50HZ工频陷波电路由于人体表面肌电信号频率范围大致在0.5HZ~1000HZ，包含无所不有的50Hz工频干扰信号，故特设计一个AD8609（具有极低的失调电压以及低输入电压噪声和电流噪声特性）一级运放组成的50Hz工频陷波器电路。
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表面肌电信号数字传感器的设计
1. 引言
表面肌电（surFace ElectroMyoGraphy, sEMG）信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化。
经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，其振幅约为0-5000μV，频率0-1000Hz，信号形态具有较强的随机性和不稳定性。
与传统的针式肌电图相比，sEMG的空间分辨率相对较低，但是探测空间较大，重复性较好，对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义[1]。
人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰sEMG的检测，所以信号的滤波和电路的屏蔽成为表面肌电信号数字传感器设计的重点。
装置主要分为以下几个部分：电极、放大电路、滤波电路、A/D转换。
2. 电极的设计
本文电极极片的基体用铜制作，表面镀银，其形式采用常用的双极型。
并在两个电极中间插入了一个参考电极，也称作无关电极，以利于降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。
为了消除来自电源线的噪声，采用差动放大的方法。
肌电信号由两个电极来检测，两个输入信号“相减”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份。
任何噪声如果离检测点很远，在检测点上将表现为“共模”信号；而检测表面附近的信号表现为差模信号，将被放大。
因此，相对较远处的电力线噪声将被消除，而相对比较近处的肌电信号将被放大。
其准确性由共模抑制比（CMRR）来衡量[2]。
肌电信息在人体组织(容积导体)内的传递，会随着距离的增加而很快衰减。
因此电极宜贴放在肌电发放最强的肌腹部，以减少邻近肌肉的肌电干扰(串音)。
采用较小的电极可提高选择性，但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。
3. 放大电路的设计
人体肌肉组织是皮表肌电的信号源，它发放的肌电经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面，体电阻约数百欧姆。
但是，表面电极与皮肤之间的接触阻抗比较高，约几千欧姆。
接触电阻还受接触松紧程度、皮肤清洁程度、湿度、四季时令变化等多种因素影响，变化很大[3]。
由此可见，对于放大器来说，肌电信号源是一个高内阻的信号源。
在设计肌电信号放大电路时，着重考虑了以下问题：
1．高增益：表面肌电信号幅度约在分布μV～mV数量级之间，是一种极其微弱的信号，要将其放大到一伏左右才能方便使用，所以将放大器的增益设置在80dB。
2．高共模抑制比：表面肌电信号的采集易受50Hz工频电源及其它高频电噪声的干扰。
但这些干扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号——共模信号，因此选用高共模抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。
3．高输入阻抗：肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化，天气干燥地区，接触电阻甚至高达几万欧姆，在这种条件下，即使放大器的共模比极优良，如果输入阻抗不够高，共模干扰信号也会造成输出误差。
因此必须提高放大器的输入阻抗。
根据以上所述，设计的肌电信号采集电路要求具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压。
本文选用德州仪器（Texas Instruments）公司的Burr-Brown系列的同相并联差动三运放仪表放大器INA128PA为核心器件搭建了前置放大电路，获得了良好的电路效果。
该芯片内部原理电路图如图1所示。
图1 INA128内部原理图
表面肌电信号非常微弱，从电极引导出的信号夹杂着很强的干扰信号，为了避免在干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真，应该采用两级放大。
仪用放大器INA128作为一级放大，设计比例运算放大器作为二级放大。
4. 滤波器的设计
表面肌电信号一般只有毫伏级电压，信号中往往夹带着低频（接近直流）和高频的干扰信号，真正有用的肌电信号大致在10Hz－500Hz之间。
除此之外，50Hz的工频信号也是一个重要的干扰源，如果不去除可能会掩盖表面肌电信号，根据这些特殊要求，专用滤波器必须具有隔直、滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。
低通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器。
50Hz工频信号对表面肌电信号的采集有很大的影响，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，因此必须除去。
本设计中采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号，如图2所示。
图2 双T有源滤波器电路
下面来分析可能引入工频干扰的途径：
1由空间辐射引入：空间的电磁场可以通过检测设备中的电极连线、印刷电路板上的连线、器件引脚或器件本身感应为相应频率成分的电流，成为噪声混入肌电信号。
空间的电磁场可能来自于多种源，最致命的是电网辐射造成的工频干扰。
2由直流电源引入：检测设备中，为有源器件供电的直流电源通常都是由工频交流电源变压、整流、稳压而得到的。
直流稳压电源不可能达到理想的滤波效果。
以纹波形式存在的工频(或其谐波)电流会通过电源引入到放大电路中。
3由受试者身体引入：暴露于空间电磁场中的受试者身体同样会感应电磁场而产生感应电流，受试者身体所感应的工频电流通过检测电极，与生物电信号一起加到放大器输入端，形成工频干扰。
针对直流电源引入的工频干扰，采用电池对有源器件进行供电。
采用电池供电不仅避免了整流稳压电源纹波所带来的工频干扰问题，而且还消除了因漏电而导致受试者被电击伤的可能。
由于电池的电压较低，用多节电池又会显得体积庞大，所以采用DC/DC模块来升压解决芯片的供电问题。
5. A/D转换
由于采样频率并不高，选用8位串行A/D转换器ADC0832即可。
ADC0832使用采样—数据—比较器的结构，采用逐次逼近方式进行转换。
根据多路器的软件配置，单端输入方式下，要转换的输入电压连到一个输入端和地端；差分输入方式下，要转换的输入电压连到一个输入端和另一输入端。
ADC0832的两输入可以分配为正极或负极，可以由多路器进行软件配置。
但是要注意的是，当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输入电压时，转换结果为全0。
通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端的配置。
串行通信格式在不增加封装大小的情况下，可以在转换器中包含更多的功能。
另外，可把转换器和模拟传感器放在一起，和远端的控制处理器串行通信，而不是进行低电平的模拟信号的远程传送。
这样的处理使返回到处理器的是无噪声的数字数据，避免了模拟信号远传的干扰。
整个采集系统的硬件结构设计完毕，具体电路图3所示：
图3 系统电路图
6. 结论
表面肌电信号非常微弱，先要对微弱信号进行放大，才能达到AD采集单元的要求，而且由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰肌电信息的检测，严重影响了测量系统的工作和有用信号的正确测量。
本文根据表面肌电信号产生特点和采集技术的基本要求，设计了表面肌电信号数字传感器，取得了良好的试验效果。