引言

肌电信号是肌肉中运动单元动作电位（muap）在时间上和空间上的叠加，表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应，相对于针电极emg，表面emg的研究具有无创伤、操作简单的特性，它的应用已经深入到临床医学、运动医学、生物医学与工程等诸多领域。

然而人体皮肤表面的肌电信号很微弱、容易受到其他信号的干扰，因此需用滤波器对输入信号进行滤波、放大才能得到有效且可识别的信号。由于表面肌电信号本身的特性，一般的滤波器无法得到好的处理效果，这就要求设计表现肌电信号拾取的专用滤波器。本文着重介绍这种专用滤波器的设计、性能，并与医用滤波器vishee g16－24amp进行了比较。

滤波器的总体设计

表面肌电信号一般只有微伏级电压，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、放大、滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。

隔直和放大电路

从表面电极检测出的信号首先需进行隔直处理，然后才能进行放大。隔直和放大部分电路如图1所示。

其中隔直部分为一阶高通滤波器，其截止频率为：

信号放大可分多级放大，但第一级必须有较大的大倍数。本设计中选用了低功耗、高精度、低噪声放大器ad620。其增益计算公式为：

其中rg为管脚1和管脚8之间的电阻，g为增益值。由于表面肌电信号是微弱信号，为了避免其他信号的干扰，增益值要足够大；但另一方面，增益值如果太大，可能在第一级就出现饱和，因此rg的值要选择适当，以获得适当的增益。经试验，本设计中令rg＝200ω，根据公式（2）计算得到g＝248。

为了进一步提高共模抑制比，本设计中还采用了共模反馈消除法。由u2a、c3、r3、r4、r5、r6构成共模反馈电路，人体输入的共模电压被两个阻值相等的电阻r5、r6检测出来，经过u2a将其倒相并反馈到人体上，使其共模电压降低乃至抵消，从而减小了共模电压的拾取。

此外，本设计的放大部分还采用了两个反比例运算电路，如果想更改放大倍数只需改变输入端电阻和反馈电阻的阻值即可。

陷波电路

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。本设计中采用陷波器来滤除50hz的工频信号。陷波器电路如图2所示。

陷波器的中心频率为：

陷波器参数的确定一方面通过计算，另一方面还要通过实验检测其滤波效果，本设计中r13取10kω，c9取0.33μf，根据公式（3）算得f为48hz，实际测得陷波器的中心频率为49hz，满足设计要求。

陷波器的品质因素（q），决定滤波器的选择性，高q对应较窄的阻带而低q对应较宽的阻带。本设计中由于只要求衰减50hz信号，其他频率尽量保留，因此需要提高q值。图2中放大器u3a将u2d的部分输出信号反馈到网络的纵臂，由于是正反馈，具有频率增强作用，所以可使阻带变窄，q值提高。q值的计算公式为：

式中f为电路反馈系数：

选取r18＝56kω，r17＝5.1kω，根据公式（4）、（5）可得f＝0.92，q＝3.125。这种陷波器电路能有效地滤除50hz工频产生的干扰，而且q值的提高保证了有用信号不被衰减。

低通滤波电路

从整个系统来看，除了要抑制50hz工频信号外，还应限制高频信号，这就要使用低通滤波器。最常用的全极点滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。就靠近ω＝0处的幅频特性而言，巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直，即在频率的低端巴特沃斯滤波器幅频特性更接近理想情况。但在接近截止频率和在阻带内，巴特沃斯滤波器则较切比雪夫滤波器差得多。本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，因此选择了巴特沃斯滤波器。同时考虑到本设计需要正反馈，所以选用了能产生正相增益的压控电压源滤波器（vcvs）。