信号采集装置及肌电采集仪的制作方法

1.本实用新型涉及信号采集领域，特别是涉及一种信号采集装置及肌电采集仪。


背景技术：

2.肌电信号是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加。表面肌电信号是浅层肌肉和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；肌电信号在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，肌电信号在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。但由于人体表面肌电信号微弱，容易受到干扰，使得采集肌电信号较为困难。


技术实现要素：

3.本技术的目的是提供一种信号采集装置及肌电采集仪，信号的免干扰能力更强，提高信号采集装置使用的安全性，便于后续对肌电信号的处理。
4.为解决上述技术问题，本技术提供了一种信号采集装置，包括：
5.差分放大模块，用于将采集到的用户的肌电信号进行差分放大；
6.与所述差分放大模块连接的隔离模块，用于隔离用户与后级电路；
7.与所述隔离模块连接的放大模块，用于将所述肌电信号放大输出。
8.优选的，所述差分放大模块包括输入阻抗匹配模块及差分放大模块，所述输入阻抗匹配模块与所述差分放大模块连接；
9.所述输入阻抗匹配模块用于将采集到的用户的肌电信号与所述差分放大模块进行阻抗匹配；
10.所述差分放大模块用于对所述用户的肌电信号进行差分放大。
11.优选的，所述输入阻抗匹配模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容及第二电容；
12.所述第一电阻的第一端及所述第一电容的第一端均与所述肌电信号的正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端分别与所述第三电阻的第一端及所述第四电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端分别与所述第三电阻的第二端及所述第二电容的第二端连接，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端分别与所述第二电容的第二端及所述肌电信号的负极连接；
13.所述第一电阻及第一电容用于对所述肌电信号的正极输入的信号进行滤波，所述第五电阻及第二电容用于对所述肌电信号的负极输入的信号进行滤波，所述第二电阻及所述第四电阻用于阻抗匹配，所述第三电阻用于消除噪声。
14.优选的，所述差分放大模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻及第九电阻；
15.所述肌电信号的正极与所述第一运算放大器的正相输入端连接，所述第一运算放
大器的输出端与所述第六电阻的第一端连接且连接的公共端作为所述差分放大模块的第一输出端，所述第六电阻的第二端分别与所述第一运算放大器的反相输入端及所述第七电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端接地；
16.所述肌电信号的负极与所述第二运算放大器的正相输入端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第八电阻的第一端连接且连接的公共端作为所述差分放大模块的第二输出端，所述第八电阻的第二端分别与所述第二运算放大器的反相输入端及所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端接地；
17.所述第一运算放大器用于将所述肌电信号的正极输入的信号放大，所述第二运算放大器用于将所述肌电信号的负极输入的信号放大。
18.优选的，还包括反馈模块，所述反馈模块用于取所述差分放大模块输出的电压的中值反相放大后输出至所述用户。
19.优选的，所述反馈模块包括第十电阻、第十一电阻及第三运算放大器，所述第十电阻的第一端与所述差分放大模块的正相输出端连接，所述第十一电阻的第二端与所述差分放大模块的反相输出端连接，所述第十电阻的第二端及所述第十一电阻的第二端连接后与所述第三运算放大器的反相输入端连接，所述第三运算放大器的正相输入端接地，所述第三运算放大器的输出端与所述用户连接；
20.所述第十电阻与所述第十一电阻的阻值相等，用于采集所述差分放大模块输出的电压的中值；所述第三运算放大器用于将所述中值放大后输出至所述用户。
21.优选的，还包括与所述放大模块连接的滤波模块，所述滤波模块用于滤除预设频率的工频干扰。
22.优选的，所述隔离模块包括第一可控开关及变压器；
23.所述第一可控开关的控制端接第一控制信号，所述第一可控开关的第一端分别与所述差分放大模块的输出正端及所述变压器的原边线圈的第一端连接，所述第一可控开关的第二端与所述变压器的原边线圈的第二端连接，所述第一可控开关的第三端与所述差分放大模块的输出负端连接；所述第一可控开关用于根据所述第一控制信号控制所述第一可控开关的第二端与所述第一可控开关的第一端或所述第一可控开关的第三端连接；
24.所述变压器的副边线圈的第一端与所述放大模块连接，所述变压器的副边线圈的第二端接地，所述变压器用于将所述差分放大模块输出的信号放大后输出至所述放大模块。
25.优选的，所述隔离模块还包括第二可控开关及第十二电阻；
26.所述第二可控开关的控制端接第二控制信号，所述第二可控开关的第一端分别与所述放大模块及所述变压器的副边线圈的第一端连接，所述第二可控开关的第二端与所述变压器的副边线圈的第二端连接，所述第二可控开关的第三端与所述第十二电阻的第一端连接，所述第十二电阻的第二端接地；所述第二可控开关用于根据所述第二控制信号控制所述第二可控开关的第二端与所述第二可控开关的第一端或所述第二可控开关的第三端连接；
27.所述第二可控开关用于控制所述变压器的信号的输出。
28.为解决上述技术问题，本技术还提供了一种肌电采集仪，包括上述的信号采集装置，还包括单片机，所述单片机用于输出第一控制信号及第二控制信号至所述信号采集装
置。
29.本技术提供了一种信号采集装置及肌电采集仪，应用于信号采集领域，差分放大模块，用于将采集到的用户的肌电信号进行差分放大；与差分放大模块连接的隔离模块，用于隔离用户与后级电路；与隔离模块连接的放大模块，用于将肌电信号放大输出。差分放大模块将肌电信号进行差分放大，使得信号的免干扰能力更强，隔离模块将用户与后级电路隔离，提高使用的安全性，放大模块将微弱的肌电信号放大，以便后续对肌电信号的处理。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术提供的一种信号采集装置的结构示意图；
32.图2为本技术提供的另一种信号采集装置的结构示意图；
33.图3为本技术提供的一种肌电采集仪的结构示意图。
具体实施方式
34.本技术的核心是提供一种信号采集装置及肌电采集仪，信号的免干扰能力更强，提高信号采集装置使用的安全性，便于后续对肌电信号的处理。
35.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.图1为本技术提供的一种信号采集装置的结构示意图，该信号采集装置包括：
37.差分放大模块1，用于将采集到的用户的肌电信号进行差分放大；
38.与差分放大模块1连接的隔离模块2，用于隔离用户与后级电路；
39.与隔离模块2连接的放大模块3，用于将肌电信号放大输出。
40.肌电信号是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加。表面肌电信号是浅层肌肉和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；肌电信号在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，肌电信号在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。但由于人体表面肌电信号微弱，容易受到干扰，使得采集肌电信号较为困难。
41.考虑到肌电信号较为微弱，不易采集的问题，本技术提供了一种信号采集装置，包括差分放大模块1、隔离模块2及放大模块3，差分放大模块1将肌电信号进行差分放大，由于差分信号具有能够很容易地识别小信号、外部电磁干扰高度免疫及更好的处理双极信号等优点，使得微弱的肌电信号更加稳定不受干扰。
42.考虑到信号采集装置中包括多种电路，而电极片黏贴在用户身上，如果不采取隔离措施可能会在采集肌电信号的过程中对用户造成损伤，所以需要设置一个隔离模块2将用户与后级电路隔离。
43.考虑到肌电信号较为微弱，及时采集到也不便于后续的处理，所以本技术提供了放大模块3，将肌电信号进行放大，可以便于后续根据肌电信号进行其他的处理。
44.综上，本技术提供了一种信号采集装置，应用于信号采集领域，差分放大模块1，用于将采集到的用户的肌电信号进行差分放大；与差分放大模块1连接的隔离模块2，用于隔离用户与后级电路；与隔离模块2连接的放大模块3，用于将肌电信号放大输出。差分放大模块1将肌电信号进行差分放大，使得信号的免干扰能力更强，隔离模块2将用户与后级电路隔离，提高使用的安全性，放大模块3将微弱的肌电信号放大，以便后续对肌电信号的处理。
45.在上述实施例的基础上：
46.图2为本技术提供的另一种信号采集装置的结构示意图；
47.作为一种优选的实施例，差分放大模块1包括输入阻抗匹配模块及差分放大模块1，输入阻抗匹配模块与差分放大模块1连接；
48.输入阻抗匹配模块用于将采集到的用户的肌电信号与差分放大模块1进行阻抗匹配；
49.差分放大模块1用于对用户的肌电信号进行差分放大。
50.tp1为肌电信号的正端，tp2为肌电信号的负端。
51.考虑到肌电信号需要满足输入阻抗的设计要求，所以设置了阻抗匹配模块，将肌电信号与差分放大模块1进行阻抗匹配。
52.此外，考虑到使用一个放大模块3对信号进行放大会使得放大效果一般，本技术在每一级都对肌电信号进行放大，使得末级放大的工作压力降低。
53.作为一种优选的实施例，输入阻抗匹配模块包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第一电容c1及第二电容c2；
54.第一电阻r1的第一端及第一电容c1的第一端均与肌电信号的正极连接，第一电阻r1的第二端与第二电阻r2的第一端连接，第二电阻r2的第二端分别与第三电阻r3的第一端及第四电阻r4的第一端连接，第一电容c1的第二端分别与第三电阻r3的第二端及第二电容c2的第二端连接，第四电阻r4的第二端与第五电阻r5的第一端连接，第五电阻r5的第二端分别与第二电容c2的第二端及肌电信号的负极连接；
55.第一电阻r1及第一电容c1用于对肌电信号的正极输入的信号进行滤波，第五电阻r5及第二电容c2用于对肌电信号的负极输入的信号进行滤波，第二电阻r2及第四电阻r4用于阻抗匹配，第三电阻r3用于消除噪声。
56.考虑到肌电信号中可能会存在杂波，所以设置了第一电阻r1及第一电容c1用于对肌电信号的正极输入的信号进行滤波，第五电阻r5及第二电容c2用于对肌电信号的负极输入的信号进行滤波，同时考虑到肌电信号可能存在部分噪声，第三电阻r3用于消除信号中的噪声。
57.通过第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第一电容c1及第二电容c2使得肌电信号更加准确，便于后续的处理。
58.作为一种优选的实施例，差分放大模块1包括第一运算放大器u1、第二运算放大器u2、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8及第九电阻r9；
59.肌电信号的正极与第一运算放大器的正相输入端连接，第一运算放大器的输出端与第六电阻的第一端连接且连接的公共端作为差分放大模块1的第一输出端，第六电阻的
第二端分别与第一运算放大器的反相输入端及第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端接地；
60.肌电信号的负极与第二运算放大器的正相输入端连接，第二运算放大器的输出端与第八电阻的第一端连接且连接的公共端作为差分放大模块1的第二输出端，第八电阻的第二端分别与第二运算放大器的反相输入端及第九电阻的第一端连接，第九电阻的第二端接地；
61.第一运算放大器用于将肌电信号的正极输入的信号放大，第二运算放大器用于将肌电信号的负极输入的信号放大。
62.第一运算放大器的正相输入端的电压为ua，第一运算放大器的反相输入端的电压为ub，第二运算放大器的正相输入端的电压为uc，第二运算放大器的反相输入端的电压为ud，第一运算放大器的输出端的电压为ue，第二运算放大器的输出端的电压为uf。根据运算放大器的虚短，ua＝ub，uc＝ud。
63.对于交流信号而言，根据运算放大器的虚断，则
64.(ue-ub)/r6＝ub/r7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(i)65.(uf-uc)/r8＝uc/r9
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ii)
66.电路中电阻r6＝r8，r7＝r9；
67.将(i)式减去(ii)式；
68.【(ue-ub)-(uf-uc))】/r6＝(ub-uc)/r7；
69.上式变换得【(ue-uf)-(ub-uc)】/r6＝(ub-uc)/r7；
70.由于在电路的设计的过程中r6远大于r7；
71.(ue-uf)/r6＝(ub-uc)/r7；
72.分式变换得(ue-uf)/(ub-uc)＝r6/r7；
73.ue-uf＝(ub-uc)r6/r7。
74.最终的放大倍数由r6及r7的阻值决定。
75.还保罗电容c5，与电源连接，用于滤波。
76.作为一种优选的实施例，还包括反馈模块，反馈模块用于取差分放大模块1输出的电压的中值反相放大后输出至用户。
77.考虑到从人体采集到的信号中会掺杂共模信号。取差分放大模块1输出的电压的中值，将其作反相放大，并将其接至参考点，可以更有效地消除共模噪声。
78.需要说明的是，电极片与用户连接三个点位，两个点位作为采集点，一个点位作为参考点。
79.差分放大模块1的输出单还并联电容c9用于滤波，滤波后的信号传至隔离模块2。
80.作为一种优选的实施例，反馈模块包括第十电阻r10、第十一电阻r11及第三运算放大器u3，第十电阻r10的第一端与差分放大模块1的正相输出端连接，第十一电阻r11的第二端与差分放大模块1的反相输出端连接，第十电阻r10的第二端及第十一电阻r11的第二端连接后与第三运算放大器u3的反相输入端连接，第三运算放大器u3的正相输入端接地，第三运算放大器u3的输出端与用户连接；
81.第十电阻r10与第十一电阻r11的阻值相等，用于采集差分放大模块1输出的电压的中值；第三运算放大器u3用于将中值放大后输出至用户。
82.由于第十电阻r10与第十一电阻r11的阻值相等，所在第十电阻r10与第十一电阻r11连接的公共端的电压为差分放大模块1输出的电压的中值。
83.此外，还包括运算放大器u4，r10及r11连接的公共端与u4的正相输入端连接，u4的反相输入端与u4的输出端连接，u4作为电压跟随器，u4的输出端与u3的反相输入端连接，将稳定的电压输入至u3。电容c20的第一端与u4的正相输入端连接，c20的第二端接地，用于滤波。
84.反馈模块还包括电阻r21、r24、r25、r26、电容c18、c19、c21、c23及c24，与u3相结合实现了放大作用。
85.tp4为肌电信号的参考端。tp1、tp2及tp4与黏贴在用户身上的电极片连接。
86.作为一种优选的实施例，还包括与放大模块3连接的滤波模块，滤波模块用于滤除预设频率的工频干扰。
87.具体的，滤波模块由电阻r15、r16、r19、r20、r23、r27、电容c8、c12、c15、c22、滑动变阻器ar1组成，滤波模块用于滤除固定工频的干扰，使得输出的信号更加准确。
88.具体的，固定工频为50hz，tp3与单片机连接，单片机用于处理信号。
89.需要说明的是，放大模块3包括电阻r14、r22、电容c7、c14、c16及运算放大器u6组成，将隔离模块2输出的信号进行放大后输出至滤波模块。
90.作为一种优选的实施例，隔离模块2包括第一可控开关u7及变压器l1；
91.第一可控开关u7的控制端接第一控制信号，第一可控开关u7的第一端分别与差分放大模块1的输出正端及变压器l1的原边线圈的第一端连接，第一可控开关u7的第二端与变压器l1的原边线圈的第二端连接，第一可控开关u7的第三端与差分放大模块1的输出负端连接；第一可控开关u7用于根据第一控制信号in1控制第一可控开关u7的第二端与第一可控开关u7的第一端或第一可控开关u7的第三端连接；
92.变压器l1的副边线圈的第一端与放大模块3连接，变压器l1的副边线圈的第二端接地，变压器l1l1用于将差分放大模块1输出的信号放大后输出至放大模块3。
93.需要说明的是，u7的第二端与第一端连接时，变压器l1的原边线圈无输入，此时不对肌电信号进行采集，u7的第二端与第三端连接时，变压器l1的原边线圈有输入，此时对肌电信号进行采集。
94.隔离模块3还包括电阻r13、r17、电容c6及c13，用于辅助u7。
95.作为一种优选的实施例，隔离模块2还包括第二可控开关u8及第十二电阻r12；
96.第二可控开关u8的控制端接第二控制信号，第二可控开关u8的第一端分别与放大模块3及变压器l1的副边线圈的第一端连接，第二可控开关u8的第二端与变压器l1的副边线圈的第二端连接，第二可控开关u8的第三端与第十二电阻r12的第一端连接，第十二电阻r12的第二端接地；第二可控开关u8用于根据第二控制信号in2控制第二可控开关u8的第二端与第二可控开关u8的第一端或第二可控开关u8的第三端连接；
97.第二可控开关u8用于控制变压器l1的信号的输出。
98.需要说明的是，u8的第二端与第一端连接时，变压器l1的副边线圈有输出，u8的第二端与第三端连接时变压器l1的副边线圈无输出。
99.隔离模块3还包括电阻r14、r18、电容c3、c4及c17，用于辅助u8。
100.图3为本技术提供的一种肌电采集仪的结构示意图，包括上述的信号采集装置，还
包括单片机4，单片机4用于输出第一控制信号in1及第二控制信号in2至信号采集装置。
101.本技术提供的肌电采集仪的介绍请参照上述实施例，在此处不再赘述。
102.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
103.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
104.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。