可编程模拟阵列及在肌电信号采集中的应用

图2 频率响应图：实线为Matlab仿真结果；(□)线为AnadigmDesigner 2仿真和实验结果

4 RMS数值的确定

RMS数值的确定是利用经典拓扑完成的。乘法和平方根提取是利用FPAA中的CAB实现的。外部的一个RC被用作一阶滤波器，被直接连接至FPAA差分输出并再次注入同一个FPAA之上，如图3所示。

图3 利用模拟电路产生RMS数值的经典拓扑

利用从志愿者的二头肌采集的EMG信号以及采用自粘贴的Ag-AgCl电极，以便于获得具有低纹波的RMS信号，与此同时，确保电路的响应时间，如图4所示。RC在实验中可以被调节，最终的数值是R = 220 k且C = 470 nF，定义的截止频率为1.5Hz。

图4 RMS数值(Channel 2: 500 mV/div)和二头肌信号(Channel 1: 1 V/div)

模拟信号处理的最后一级由产生触发脉冲的比较器电路或由—当EMG RMS电平超过已调节设置点门限时—要控制外部设备的开关控制电路组成。FPAA电路具有一个可变的参考比较器来执行这一功能，而参考电压作为灵敏度阀值。

完整的电路如图5所示。在图5右上角的输出3和4对应于经放大和滤波的EMG信号的平方，而右下角的输出7和8对应于模拟信号处理之后的EMG信号的RMS。

图5 用于采集EMG信号的完整的FPAA电路

FPAA电路(AN221E04)的高共模抑制比使得以高共模噪声抑制能力对极小幅度的生物电势(10 μV至500 μV)进行采集成为可能。接下来，通过采用干扰最小化技术产生低噪声的信号，该信号可以足够的质量被用作假肢或电刺激器的控制信号。

通过上述例子证明，可编程模拟阵列具有灵活性，它能够修改模拟电路的特性，如利用软件修改滤波器的截止频率、增益、参考电压，并且可以在电路工作期间进行修改，因此，FPAA有助于快速和可靠地实现医疗电子系统的模拟前端的原型设计。

三、可编程模拟器件的发展趋势

大规模现场可编程模拟阵列(FPAA)在模拟领域具有很大的发展潜力。业内专家表示，FPAA带来的好处在于：1. 模拟预处理可以减轻A/D转换器存在的瓶颈问题，并减轻后级的DSP运算的负担；2. FPAA有巨大的潜力来缩短小型模拟电路设计的原型建立时间，能够满足大规模阵列的要求，可以为大多数模拟应用甚至综合仪器提供足够的性能；3. 与DSP方案相比，FPAA的主要优势是整个FPAA的功耗比单独一个模数转换器模块还要低；4.与全定制ASIC相比的主要优势是灵活性，以及更快的设计、开发和部署周期。

然而，在这种FPAA技术也存在需要继续解决的许多问题。例如，因走线和开关增加而带来的噪声会限制模拟电路的性能，并降低信噪比。然而，业内专家认为，FPAA技术将随着时间的推移变得越来越成熟，从而有望带来一场模拟设计革命。目前，Anadigm和Lattice等公司均提供可编程模拟阵列。

此外，TI和凌力尔特等公司提供基于电子表格的滤波器设计程序。目前，可用的在线模拟滤波器设计程序有美国国家半导体公司的有源滤波器设计工具(Active Filter Designer)，借助该工具可以方便地针对贝塞尔、巴特沃、切比雪夫或高斯滤波器特性来选择高通或低通滤波器的参数，这些可编程模拟设计工具的应用，也将为医疗电子系统模拟前端的设计提供更大的灵活性。