一种表面肌电仪校准装置的设计

王耀弘，王艺颖 ，张雯，周中木，龚伟

（1.重庆市计量质量检测研究院,重庆，400121；2.国家热工流量仪表质量监督检验中心（重庆），重庆，400121；3.重庆电子工程职业学院，重庆，401331）

0 引言

人体运动神经兴奋时会产生生物电信号，肌电仪能够记录肌肉静止或收缩时的电活动曲线。表面肌电仪因其无痛、便捷的优点区别于传统针电极插入式肌电仪给病人痛苦而广泛应用于临床诊断、康复治疗、运动评估、工伤评价等领域。为保障表面肌电仪量值溯源准确，文章设计了一种具有微弱电生理信号模拟功能的表面肌电仪校准装置。该装置具有宽频率、高准确度等特征，能够满足检测要求[1-10]。

1 工作原理

直接频率合成是利用相位累加器存储信号的相位信息，其相位累加情况由频率控制字节K控制，通过查询表使相位信息转化为离散的数字量幅度信息，并经过数模转换成模拟正弦量，滤波后输出所需频率，其优点是具有高精度的频率和相位分辨力。

直接数字频率合成周期信号产生算法为：

式中：ϕ为任意周期信号，lout为周期信号频率，0α为角速度。

直接数字频率合成器输出频率0λ关系式：

直接数字频率合成器相当于一个数字分频器。随着n的变大，累加器的长度也变大，从而能够得所需频率。

2 系统组成与关键硬部件选型

研制的表面肌电仪校准装置由单片机、按键电路、液晶显示电路、数字合成电路、调理电路等组成人机交互系统，具体见图1。

单片机是信号源硬件的核心，装置采用16位的SPCE061A单片机为控制中心，该单片机具有两个外部时钟源输入和7路10位电压模数转换器，32位通用可编程I/O端口。由于参考时钟等因素的影响，高端杂散噪声干扰较大，为实现较好的频谱纯度信号，结合设计采用的逼近原则，采用椭圆函数低通滤波器进行滤波，依据陡度系数计算出反射系数50%，进而确定采用七阶椭圆滤波器。考虑滤波过程中存在信号特殊频段衰减问题，设计补偿电路，实现高频时增大幅值，从而达到补偿效果。

图1 系统组成框图

AD9953是AD公司采用先进直接数字频率合成技术生产的具有高集成度DDS电路。内部包含分辨率14位的高速、高性能D/A转换器及高速比较器，工作频率高达400MHz，具有灵活使用频率合成功能，最高功耗仅为200mW。同时内置32KRAM，通过此功能可以实现可编程的模拟调制和数字调制，其内置寄存器可存放频率、相位、幅度数据。AD9953芯片频率控制字长K为32位，其中相位控制字长为14位，计算可得理论输出相位精度达到1.9×10-4。

标准肌电信号可以认为是周期信号，相位连续，数据点为2的整数次幂，采用适当算法可以调整到所需长度，通过DDS算法可以实现连续可变信号发生，信号发生方法见图2所示。

图2 频率连续可变示意图

人机交互电路模块主要有单片机控制。装置选用YM12864C图形点阵液晶显示器，其采用动态驱动原理由行驱动器、列驱动器两部分组成了全点阵液晶显示，能够实现清晰显示。

3 实验与分析

研制的表面肌电仪校准装置完成后，使用Ocilloscope示波器和数字多用表进行检测。依据JJF 1470-2014多参数生理模拟仪校准规范，对方波信号、三角波信号、正弦波信号幅度和频率进行测量，具体数据见表1至表4。

表1 方波信号幅度准确度

表2 方波信号频率准确度

表3 三角波信号频率幅度准确度

表4 正弦波信号频率幅度准确度

试验数据表明研制的表面肌电仪计量校准装置幅度误差≤±2%，频率误差≤±1%，满足JJF 1470-2014 多参数生理模拟仪校准规范要求。

4 结论

采用直接频率合成技术研制的表面肌电仪校准装置具有携带方便、结构合理、操作简单等特点，同时频率、幅度示值误差等各项技术指标优良，经过计量检定后能够满足表面肌电仪计量检定需要。