生物神經(jīng)電極放大器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2 電路的設(shè)計
肌電檢測系統(tǒng)包括刺激電路、放大與濾波電路和顯示處理電路，而對于電極也進(jìn)行了設(shè)計，包括探針等，預(yù)期結(jié)果如圖2所示。

圖2左邊為電信號激勵源部分，用來刺激神經(jīng)，可產(chǎn)生頻率3Hz和30Hz兩種電流脈沖，脈沖的寬度為0．2ms，峰值在0．05～5mA之間可調(diào)；右邊為信號部分，用來處理接收肌肉產(chǎn)生的電信號。信號處理及顯示提示部分的具體參數(shù)指標(biāo)如下：分為兩個通道，可以獨立顯示、提示收到的肌電信號的強(qiáng)度。用LED 燈顯示肌電信號的強(qiáng)度，范圍在30 μV～20mV之間；用蜂鳴器提示肌電信號的強(qiáng)度，音量可調(diào)。而接收肌電信號的電極有三個腳(V+)、(Vref)、(V-)，供接收及處理部分使用。
2．1 刺激電路
由于要求輸出脈沖電流，有3Hz及30Hz兩種選擇，且脈沖寬度為0．2ms，而脈沖電流不易直接產(chǎn)生，所以首先由脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生電壓脈沖，頻率為3Hz和30Hz兩種，脈沖寬度為0．2ms。然后經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流脈沖，轉(zhuǎn)換電路中包含可調(diào)旋鈕，控制輸出脈沖的峰值在0．05～5mA之間。
2．2 前置處理盒電路
來自探針的肌電信號先送入前置放大電路進(jìn)行電壓信號放大，然后再經(jīng)過高通濾波處理，濾除極化電壓及低頻噪聲，低頻截止頻率為5Hz(極化電壓是由探針的V+和V－兩腳插入肌肉的深度不同而產(chǎn)生的)。高通濾波后的電壓信號再經(jīng)過低通濾波，濾除高頻噪聲，高頻截止頻率為1kHz。低通濾波后的電壓信號再經(jīng)過工頻陷波，濾除50Hz工頻的電信號。至此，前置處理盒的處理過程完畢，處理后的電壓信號供后級信號處理及顯示提示電路使用。
2．3 信號處理及顯示提示電路
前置處理盒輸出的電壓信號首先經(jīng)過二級放大電路放大到合適的幅值，然后驅(qū)動LED，顯示肌電信號的強(qiáng)度。同時，電壓信號經(jīng)放大處理后，送入揚(yáng)聲器電路，用以聲音提示。
除上述蔓部分主要電路外，要完成一個整體系統(tǒng)還需要有電源電路及各接口電路，其中由于各部分電路對于電源的要求不同，電源電路將分為激勵電路的電源、隔離器之前部分的正負(fù)15V電源、隔離器之后部分的正負(fù)15V電源、A／D部分的電源、LED的電源和揚(yáng)聲器的電源五個部分。

3 電路的測試
通過PCB制圖后，我們制作了實驗板。在此次實驗板的基礎(chǔ)上，我們做了多種測試，以檢驗所設(shè)計系統(tǒng)的性能。
3．1 刺激電路的測試
(1)當(dāng)頻率選擇端置高電平時，555定時器的3腳輸出電壓波形為峰值約為4．16V，頻率約為3．1Hz的脈沖波；當(dāng)頻率選擇端置低電平時，輸出則為峰值約為4．16V，頻率約為30 Hz的脈沖波。證明了系統(tǒng)的脈沖電壓產(chǎn)生及頻率選擇的功能工作正常。
(2)選擇頻率選擇端置低電平，且在刺激電路的輸出兩端外接一個1kΩ的負(fù)載電阻，同時檢測兩端的電壓，得波形如圖3所示。

其峰值約為4．64V，頻率仍為30Hz左右，可得輸出的電流峰值約為4．64mA，且替換負(fù)載電阻為300 Ω，輸出波形頻率不變，而峰值約為1．39V，得電流峰值仍約為4．64mA，證明了電壓／電流轉(zhuǎn)換功能工作正常，當(dāng)脈沖電壓為高電平時，可輸出恒定電流。