生物神經電極放大器系統的設計與實現

2 電路的設計
肌電檢測系統包括刺激電路、放大與濾波電路和顯示處理電路，而對于電極也進行了設計，包括探針等，預期結果如圖2所示。

圖2左邊為電信號激勵源部分，用來刺激神經，可產生頻率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；右邊為信號部分，用來處理接收肌肉產生的電信號。信號處理及顯示提示部分的具體參數指標如下：分為兩個通道，可以獨立顯示、提示收到的肌電信號的強度。用LED 燈顯示肌電信號的強度，范圍在30 μV～20mV之間；用蜂鳴器提示肌電信號的強度，音量可調。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生，所以首先由脈沖產生電路產生電壓脈沖，頻率為3Hz和30Hz兩種，脈沖寬度為0．2ms。然后經過V／I轉換電路轉換成電流脈沖，轉換電路中包含可調旋鈕，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行電壓信號放大，然后再經過高通濾波處理，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生的)。高通濾波后的電壓信號再經過低通濾波，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過二級放大電路放大到合適的幅值，然后驅動LED，顯示肌電信號的強度。同時，電壓信號經放大處理后，送入揚聲器電路，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15V電源、隔離器之后部分的正負15V電源、A／D部分的電源、LED的電源和揚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上，我們做了多種測試，以檢驗所設計系統的性能。
3．1 刺激電路的測試
(1)當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。證明了系統的脈沖電壓產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／電流轉換功能工作正常，當脈沖電壓為高電平時，可輸出恒定電流。