Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để
nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ
Phạm Mạnh Hùng, Vũ Duy Hải, Hoàng Mạnh Cường, Nguyễn Văn Khang
Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam
Email:
Tóm tắt — Tín hiệu điện cơ được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực nghiên cứu khác nhau. Chất lượng tín hiệu điện cơ thu
nhận được ảnh hưởng lớn đến kết quả đạt được của các
nghiên cứu đó. Trong bài báo này giới thiệu nghiên cứu
phát triển một số giải pháp thiết kế mạch (như giải pháp
lựa chọn cấu trúc, mạch nguyên lý và linh kiện cho mỗi
khối chức năng của mạch đo) để cải thiện một số thông số
kỹ thuật của mạch đo tín hiệu điện cơ. Theo cách này,
mạch thu nhận có các ưu điểm hơn so với các mạch hiện có
như: có hệ số triệt nhiễu 50 Hz đạt -140 dB và hơn -100 dB
với các loại nhiễu ngoài dải tần tín hiệu thu nhận, độ phân
giải tín hiệu đạt 24 bít, tần số lấy mẫu cực đại là 32 kb/s, hỗ
trợ truyền thông có dây/không dây, dòng rò nhỏ hơn 100
µV, mức tiêu thụ nguồn thấp, kích thước nhỏ. Mạch này có
thể tích hợp hiệu quả vào các hệ thống thu nhận và xử lý
tín hiệu điện cơ phục vụ cho các nghiên cứu khác nhau.
Keywords — Electromyography; EMG Signal Acquisition;
EMG Measurement

I. GIỚI THIỆU
Điện cơ đồ (Electromyography – EMG) là phương
pháp thu lại hoạt động điện của tổ chức cơ (nhóm bó cơ
hoặc bắp cơ) khi nó hoạt động, tín hiệu thu được này
được gọi tắt là tín hiệu EMG. Tín hiệu EMG chứa các

thông tin phản ánh tình trạng và mức độ hoạt động của tổ
chức cơ đó. Các thông tin thu được từ quá trình xử lý và
phân tích tín hiệu EMG được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau như: (1) hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý và đánh
giá tình trạng của tổ chức cơ, (2) là căn cứ để điều chỉnh
phương pháp vận động giúp cải thiện hiệu quả lao động
và luyện tập thể thao, và (3) ứng dụng trong điều khiển
học [1].

Hình 1: Hai dạng sóng cơ bản của tín hiệu EMG

ISBN: 978-604-67-0349-5

Tín hiệu EMG có thể được thu nhận bằng hai phương
pháp chính đó là xâm lấn và không xâm lấn. Trong đó,
phương pháp đo xâm lấn là phương pháp đưa các điện
cực đo vào trong bắp cơ, như cắm điện cực kim vào trong
tổ chức cơ cần khảo sát, tín hiệu thu được gọi là tín hiệu
điện cơ kim (intramuscular EMG – iEMG). Phương pháp
đo không xâm lấn là phương pháp sử dụng các điện cực
bề mặt dán vào bề mặt da phía trên bắp cơ cần đo, tín
hiệu điện cơ thu được gọi là tín hiệu điện cơ bề mặt
(surface EMG – sEMG) [2]. Tín hiệu EMG có các đặc
tính cơ bản như sau:
 Về biên độ, tín hiệu EMG có biên độ nhỏ, biên độ
đỉnh - đỉnh nằm trong khoảng từ 0 đến 5 mV hay
từ 0 đến 1,5 mV (RMS) [2].
 Về tần số, tín hiệu EMG có dải tần từ 0 Hz lên đến
3 kHz, trong đó năng lượng tín hiệu tập trung
trong dải tần từ 10 Hz ÷ 250 Hz. Tín hiệu sEMG

thường có dài tần từ 10 Hz đến 400 Hz, trong đó
năng lượng tập trung ở khoảng từ 20 Hz đến 150
Hz. Tín hiệu iEMG có dải tần 10 Hz ÷ 3 kHz [2].
Tín hiệu EMG thu nhận bởi thiết bị đo có thể bị suy
giảm chất lượng do nhiều yếu tố khác nhau [2] [3], như:
 Suy giảm do nhiễu: có nhiều loại nhiễu khác nhau
ảnh hưởng tới tín hiệu EMG, như: nhiễu nguồn
(50 Hz hoặc 60 Hz), nhiễu thở, nhiễu do dịch
chuyển điện cực hay dây nối điện cực, nhiễu tần số
cao, nhiễu do các tín hiệu điện sinh học khác như
ECG,… Tín hiệu EMG đầu vào có tỷ số tín hiệu
trên nhiễu (SNR) rất nhỏ.
 Suy giảm do mạch xử lý tín hiệu tương tự: các
mạch tương tự đều ít nhiều gây méo dạng của tín
hiệu. Sử dụng bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại
lớn có thể gây méo dạng tín hiệu do hiện tượng
bão hòa tín hiệu. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng,
các mạch khuếch đại hoạt động sẽ không ổn định
khi và sau khi rơi vào trạng thái bão hòa tín hiệu.
Sử dụng bộ lọc sẽ làm giảm độ trung thực của tín
hiệu. Bộ lọc tương tự bậc cao theo lý thuyết cho
kết quả lọc nhiễu tốt, tuy nhiên trong thực tế thì
các bộ lọc tương tự bậc cao thường không đem lại
hiệu quả cao. Mạch lọc bậc cao sẽ dùng nhiều linh
kiện và cồng kềnh. Trong khi đó, độ ổn định của
mạch tỷ lệ nghịch với số lượng linh kiện sử dụng.

311

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

 Suy giảm do chuyển đổi tương tự - số (ADC) kém:
tín hiệu EMG được số hóa bởi quá trình lấy mẫu
và lượng tử hóa. Nếu tốc độ lấy mẫu quá chậm so
với sự biến đổi của tín hiệu, hay tần số lấy mẫu
nhỏ hơn 2 lần tần số cực đại của tín hiệu thì sẽ gây
ra hiện tượng chồng phổ, gây sai lệch tín hiệu thu
được. Lượng tử là việc làm tròn lên hoặc xuống
giá trị lấy mẫu để phù hợp với bậc của thang lượng
tử. Phần sai khác so với trước khi làm tròn gọi là
sai số lượng tử. Độ phân giải càng thấp sai số do
quá trình lượng tử càng lớn.
Ngoài các yếu tố gây suy giảm chất lượng tín hiệu kể
trên, chất lượng tín hiệu EMG còn bị ảnh hưởng bởi quá
trình đo, như: (1) kích thước và khoảng cách của các điện
cực sử dụng ảnh hưởng tới độ lớn của tín hiệu và độ rộng
của phổ tần số thu nhận, (2) khoảng cách đặt giữa các
điện cực đo với tổ chức cơ cần đo, khoảng cách càng xa
biên độ và dải tần số của tín hiệu càng bị suy giảm, do sự
suy hao tín hiệu khi dẫn truyền qua các mô [2]. Tuy nhiên,
nghiên cứu được giới thiệu trong bài báo này chỉ tập
trung vào giải quyết các vấn đền liên quan đến thiết bị đo
tín hiệu EMG, nên các vấn đề liên quan đến quá trình đo
sẽ không được đề cập nhiều ở đây.
Chất lượng tín hiệu EMG càng cao thì độ tin cậy của
thông tin trích xuất từ tín hiệu đó càng cao. Do đó, các
nỗ lực nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao chất lượng
tín hiệu EMG vẫn đang được thực hiện. Các nghiên cứu
này tập trung vào việc cải thiện các thông số của mạch

đo, cụ thể là: (1) tăng trở kháng đầu vào, (2) tăng hệ số
nén nhiễu đồng pha (CMRR), (3) tăng tỷ số tín hiệu trên
nhiễu (SNR), (4) tăng độ phân giải của tín hiệu, (5) tăng
độ ổn định, tin cậy và hiệu năng của mạch, và (6) tăng
độ an toàn cho người và thiết bị khi sử dụng [4], [5], [6].
Một hệ thống thu nhận, xử lý và phân tích tín hiệu
điện cơ đồ có thể được chia thành hai thành phần chính
là:
 Mạch đo tín hiệu EMG: thực hiện việc thu nhận
tín hiệu điện cơ từ các điện cực, xử lý tín hiệu
tương tự, chuyển đổi ADC, và truyền thông tín
hiệu EMG số có được lên máy tính.
 Phần mềm xử lý và phân tích tín hiệu EMG số:
thực hiện các phép xử lý số tín hiệu, trích xuất các
thông tin hữu ích dùng cho các nghiên cứu khác
nhau.
Bài báo này giới thiệu nghiên cứu phát triển một số
giải pháp nhằm mục đích cải thiện các thông số của
mạch đo tín hiệu EMG, giúp tăng chất lượng tín hiệu
EMG thu được.
II. GIẢI PHÁP
Các giải pháp kỹ thuật được phát triển để tạo ra mạch
đo tín hiệu EMG chất lượng cao trong nghiên cứu này
bao gồm:

ISBN: 978-604-67-0349-5

 Lựa chọn cấu trúc mạch đo tín hiệu phù hợp, bao
gồm lựa chọn sử dụng những khối chức năng nào,
và bố trí của các khối đó trong mạch đo.

 Lựa chọn mạch nguyên lý phù hợp cho từng khối
chức năng, như: khuếch đại, lọc nhiễu, số hóa,
cách ly, và truyền thông.
 Lựa chọn các linh kiện có đặc tính kỹ thuật phù
hợp cho các khối chức năng theo giải pháp được
đề xuất.
Các phần tiếp sau đây là sự mô tả và phân tích chi tiết
hơn về các giải pháp được nhóm nghiên cứu phát triển.
A. Giải pháp cho sơ đồ khối mạch đo tín hiệu EMG
Hình 2 là sơ đồ khối của mạch đo được để xuất để
đảm bảo khả năng thu nhận được tín hiệu EMG có chất
lượng cao. Theo sơ đồ được đề xuất, tín hiệu điện từ các
điện cực đo sẽ đi vào các bộ khuếch đại đệm. Các tín hiệu
đầu ra của bộ khuếch đại đệm sẽ tới đầu vào bộ khuếch
đại vi sai. Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại vi sai là tín
hiệu EMG thô. Tín hiệu này sẽ được đưa tới bộ lọc thông
dải và bộ lọc triệt tần để lọc bỏ các thành phần không
mong muốn.
Tín hiệu EMG sau khi xử lý lọc sẽ được đưa vào bộ
chuyển đổi ADC. Đầu ra của bộ ADC là tín hiệu EMG
số, tín hiệu này sẽ được truyền tới MCU thông qua một
bộ cách ly quang. Thông qua giao diện kết nối có dây
hoặc không dây, MCU sẽ thực hiện việc truyền tín hiệu
EMG số có được cho máy tính và nhận các yêu cầu thiết
lập chế độ đo.

Hình 2: Sơ đồ khối của mạch đo tín hiệu EMG (ba điện cực được sử
dụng gồm hai điện cực đo và một điện cực tham chiếu, để chống nhiễu)

Giải pháp thực hiện mỗi khối chức năng trong sơ đồ

khối ở hình 2 được phân tích ở các phần tiếp sau đây.
B. Giải pháp khuếch đại và triệt nhiễu đồng pha
Tín hiệu nhiễu xuất hiện trên cả dây điện cực đo và
điện cực tham chiếu là nhiễu đồng pha. Tín hiệu điện cơ
có thể chỉ nhỏ cỡ 0,1 mV, trong khi thành phần nhiễu
đồng pha (nhiễu nguồn) có thể lên tới hàng V, tương

312


Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

đương -120 dB SNR [3], [4]. Nhiễu này cần phải được
loại bỏ khỏi tín hiệu EMG.

sinh học, mạch lọc Butterworth bậc 2 kiến trúc SallenKey có nhiều ưu điểm hơn các loại mạch lọc khác khi sử
dụng [3], [7], [8].

Hình 3: Phương thức bỏ nhiễu đồng pha của bộ khuếch đại vi sai

Nhiễu đồng pha có thể được triệt tiêu bằng cách lấy vi
sai tín hiệu giữa hai dây nối điện cực đo (xem hình 3).
Khả năng loại bỏ thành phần nhiễu xuất hiện đồng thời
trên hai đầu vào của bộ khuếch đại được định lượng bởi
hệ số nén nhiễu đồng pha (Common mode Rejection
Ratio - CMRR) của một mạch khuếch đại. Hệ số CMRR
của bộ khuếch đại vi sai được tính bằng công thức 1 dưới
đây:
(

)







Trong đó: (1) Ad là hệ số khuếch đại vi sai, (2) Acm là
hệ số khuếch đại đồng pha. Giá trị CMRR thông thường
cỡ 80 đến 120dB. Với mạch đo tín hiệu EMG, CMRR
được khuyến nghị phải lớn hơn 90dB [3], [4].
Hệ số CMRR có thể bị suy giảm do sự chênh lệch trở
kháng đường dây nối các điện cực đo. Do trở kháng bộ
khuếch đại là cố định, sự sai khác trở kháng đường dây
khiến tín hiệu cho dù giống nhau ở các điện cực cũng trở
nên khác nhau ở cuối các dây đo (chỗ nối với bộ khuếch
đại). Ảnh hưởng của sự chênh lệch trở kháng này có thể
được giảm thiểu bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại
đệm có trở kháng vào lớn (> 108 Ω) [4].
C. Giải pháp sử dụng các bộ lọc tương tự
Tín hiệu EMG có thành phần hữu ích nằm trong một
dải tần cụ thể, ví dụ, đối với tín hiệu sEMG là ở dải tần
10 Hz ÷ 450 Hz. Trong các thiết kế mạch đo tín hiệu điện
sinh học để lấy được thành phần hữu ích, bộ lọc thông dải
thường được sử dụng tạo bởi bộ lọc thông cao (HPF) tích
cực và thông thấp (LPF) tích cực. Dải thông của bộ lọc
thông dải kép này được xác định bởi tần số cắt của các bộ
lọc HPF (fL) và LPF (fH). Trong đó, bộ lọc HPF sẽ loại bỏ
các nhiễu tần số thấp, như là nhiễu chuyển động, nhiễu

trôi đường cơ sở. Bộ lọc LPF sẽ lọc bỏ các thành phần
nhiễu tần số cao, và có vai trò giới hạn tần số cực đại của
tín hiệu tương tự trước khi thực hiện chuyển đổi ADC.
Bộ lọc thông dải kép này có ưu điểm hơn so với bộ lọc
thông dải đơn, do dễ dàng điều chỉnh các tham số của
mạch, như là tần số cắt và hệ số Q.
Việc lựa chọn bộ lọc phù hợp với yêu cầu lọc chính là
việc lựa chọn kiến trúc, loại bộ lọc, bậc bộ lọc, tần số cắt,
hệ số phẩm chất (Q) và độ khuếch đại của bộ lọc. Có
nhiều loại bộ lọc khác nhau đã được giới thiệu, chúng có
ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Đối với tín hiệu điện

ISBN: 978-604-67-0349-5

Hình 4: Sơ đồ mạch lọc Butterworth bậc 2 kiến trúc Sallen-Key (hệ số
phẩm chất của mạch Q = 0,707)

Theo sơ đồ ở hình 4, khi các phần tử Z1, Z2, Z3, và Z4
lần lượt là C1, C2, R1, và R2 thì mạch sẽ là mạch lọc HPF.
Còn khi các phần tử Z1, Z2, Z3, và Z4 lần lượt là R1, R2,
C1, và C2 thì mạch sẽ là mạch lọc LPF.
 Tần số fc của bộ lọc được tính theo công thức:
Hz
(2)
√

 Hệ số Q của bộ lọc HPF được tính theo công thức:
√
(

(3)

)

 Hệ số Q của bộ lọc LPF được tính theo công thức:
√
(

(4)

)

Sau bộ lọc thông dải, thành phần nhiễu nguồn điện
lưới (50 Hz hoặc 60 Hz) còn lại trong tín hiệu EMG có
thể vẫn còn tương đối lớn. Để loại bỏ thành phần nhiễu
này cần phải sử dụng bộ lọc triệt tần (Notch). Do năng
lượng của tín hiệu EMG tập trung chủ yếu ở dải tần xung
quanh tần số 50 Hz, nên nếu sử dụng bộ lọc Notch có hệ
số Q thấp sẽ gây suy giảm mạnh các thành phần tín hiệu
có ích. Để đảm bảo hiệu quả của lọc nhiễu, chúng ta cần
lựa chọn bộ lọc Notch có hệ số Q lớn. Trong các loại bộ
lọc Notch đã được giới thiệu hiện nay, bộ lọc Twin - T
Notch có nhiều ưu điểm khi sử dụng.

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của mạch lọc Twin – T Notch

Hình 5 là sơ đồ mạch của bộ lọc Twin-T Notch, tần
số fc của bộ lọc này được tính theo công thức sau:
√

(

)

Hz

(5)

Bộ lọc Twin-T Notch có một số đặc tính tốt như: (1)
cho phép điều chỉnh dễ dàng hệ số Q (từ 0,3 đến 50) của

313


Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

mạch lọc bằng cách điều chỉnh tỷ lệ R4/R5, và (2) có thể
đạt được hệ số triệt tần tới 60 dB với linh kiện có sai số
1%, thông thường là 50 dB [7], [8].
D. Giải pháp chuyển đổi tương tự - số tín hiệu
Tín hiệu EMG sau lọc là tín hiệu tương tự có cực tính
(có phần âm và phần dương). Trong một số thiết kế đã
được giới thiệu, thường dùng các bộ chuyển đổi ADC có
độ phân giải thấp (từ 10 bít đến 16 bít) và chỉ chuyển đổi
được phần dương của tín hiệu [5], [6], [10]. Do đó, tín
hiệu cần được khuếch đại và công thêm một điện áp dịch
mức dương trước khi chuyển đổi ADC nhằm mục đích
tăng độ phân giải và không làm mất thành phần ở phần
âm của tín hiệu. Theo cách này, mạch cần thêm các khối
mạch tương tự phức tạp, có thể gây méo dạng tín hiệu.

Để giải quyết vấn đề này, bộ chuyển đổi ADC được sử
dụng cần có một số đặc tính như: (1) có thể chuyển đổi
tín hiệu có cực tính, (2) tích hợp bộ khuếch đại có hệ số
có thể cấu hình mềm, (3) độ phân giải cao, (4) tốc độ lấy
mẫu cao và có thể thay đổi bằng lập trình, và (5) dữ liệu
tín hiệu đầu ra là nối tiếp.
E. Giải pháp cách ly nguồn với đối tượng đo
Cách ly nguồn cung cấp với đối tượng đo là yêu cầu
cần thiết đối với các thiết bị đo điện sinh học trên cơ thể
sống. Việc cách ly nhằm hai mục đích chính như sau:
 Để đảm bảo an toàn điện, tránh nguy cơ giật điện
gây ra bởi dòng rò, đặc biệt là dòng rò từ nguồn
điện lưới có tần số 50 Hz (hoặc 60 Hz).
 Để tránh nhiễu từ nguồn tới mạch xử lý đầu vào,
làm giảm SNR của tín hiệu điện cơ thu được.
Để tăng hiệu quả khi chế tạo, giải pháp cách ly được
đề xuất là chỉ sử dụng nguồn cách ly mức cao cho phần
mạch xử lý tín hiệu tương tự và bộ chuyển đổi ADC, có
mức tiêu thụ nguồn nhỏ. Các phần mạch còn lại có mức
tiêu thụ công suất lớn sẽ sử dụng nguồn có mức độ cách
ly thấp hơn.

Hình 6: Giải pháp dùng nguồn cách ly trong mạch đo tín hiệu EMG

Hình 6 là sơ đồ mô tả giải pháp cách ly được đề xuất.
Theo sơ đồ này, tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi
sang dạng số bởi bộ chuyển đổi ADC. Đầu ra bộ ADC sẽ
là tín hiệu số, theo chuẩn truyền thông nối tiếp, sẽ được
truyền qua bộ cách ly quang tới khối xử lý truyền thông
tín hiệu số (MCU).

ISBN: 978-604-67-0349-5

III. TRIỂN KHAI CÁC GIẢI PHÁP
Để đánh giá các đề xuất, nhóm nghiên cứu đã triển
khai các bước như sau: (1) lựa chọn mạch thiết kế thử
nghiệm, (2) xây dựng bảng thông số kỹ thuật cần đạt của
mạch, (3) mô phỏng các khối chức năng, (4) lựa chọn
linh kiện sử dụng, (5) chế tạo và đo các thông số làm việc
của mạch, và (6) đánh giá kết quả đạt được. Cụ thể là:
Nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết kế chế tạo mạch đo
tín hiệu sEMG. Đối tượng này được chọn bởi các lý do
chính sau:
 Trong các loại tín hiệu EMG thì tín hiệu sEMG
bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu khác nhau lớn
nhất, đặc biệt là nhiễu từ nguồn điện lưới. Tín
hiệu sEMG có mức độ phức tạp hơn so với tín
hiệu iEMG. Bởi vì, tín hiệu sEMG là tín hiệu
tổng hợp của nhiều đơn vị vận động của bắp cơ
và có biên độ nhỏ (biên độ suy hao do hiện tượng
độ dẫn khối). Trong khi, tín hiệu iEMG là tín
hiệu của một vài bó cơ của bắp cơ [6].
 Việc thực hiện đo tiến hành sEMG an toàn hơn
iEMG. Bởi vì, phép đo sEMG là đo không xâm
lấn, còn phép đo iEMG là đo xâm lấn (phải dùng
kim chọc vào tổ chức cơ, có thể gây bệnh cho
tình nguyện viên khi không phải chuyên gia y tế
thực hiện đo).
Bảng 1 là các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch đo sEMG
cần đạt được sau thiết kế. Các thông số này được đưa ra

dựa trên việc tham khảo các chỉ tiêu kỹ thuật của một số
hệ thống đo EMG được thương mại hiện nay [5], [10], và
yêu cầu của nghiên cứu này.
BẢNG 1
Các thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu EMG cần đạt được
Tên thông số
Trở kháng vào
CMRR
Dải tần
Hệ số khuếch đại
Độ phân giải
Tần số lấy mẫu
Mức nhiễu
Dòng dò
Tốc độ truyền dữ liệu

Giá tri
107
140
5 ÷ 450
100
24
>2
< 0,5
< 100
480

Đơn vị
Ω
dB

Hz
Lần
Bit
kHz
mV (rms)
μV
Mbps

Chú thích
Từ các điện cực đo
Với nhiễu 50 Hz
Tín hiệu sEMG
Cấu hình mềm
Cấu hình mềm
Tín hiệu sEMG
Dải tần 5 ÷ 500 Hz
Chuẩn IEC60601-1
Giao tiếp USB 4.0

Dựa theo yêu cầu thiết kế cụ thể và áp dụng các giải
pháp được đề xuất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các
công cụ như: phần mềm Filter Pro của Texas
Instrusments (TI) và ORCAD PSPICE để chạy mô phỏng
các xử lý tín hiệu tương tự. Ngoài việc hỗ trợ mô phỏng,
các công cụ này hỗ trợ lựa chọn các giá trị linh kiện thụ
động (RC) phù hợp, theo các tiêu chuẩn thương mại hiện
có, mắc trong các khối mạch xử lý tín hiệu tương tự.
Các linh kiện chính được sử dụng cho các khối chức
năng trong mạch là linh kiện của hãng TI. Trong đó, một
số linh kiện là các vi mạch (IC) tương tự và số mới được

hãng này phát triển và thương mại.

314


Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

Cụ thể là:
 Mạch khuếch đại đệm và khuếch đại vi sai: mạch
khuếch đại đệm sử dụng IC TL072 và mạch
khuếch đại vi sai sử dụng IC INA129 mắc theo
khuyến nghị của hãng. Các IC này có trở kháng
vào lớn, tiêu thụ dòng nhỏ với độ dịch áp nhỏ, hệ
số CMRR lớn [11].
 Mạch lọc thông thấp, thông cao và Notch: sử
dụng IC TL072, mắc mạch như hình 4 và 5. Giá
trị của các linh kiện R,C có được từ bước tính
toán mô phỏng mạch.
 Mạch chuyển đổi ADC: sử dụng IC ADS1294, là
linh kiện mới của TI, nó có một số đặc tính nổi
bật như: (1) có bộ khuếch đại nội với hệ số
khuếch đại có thể lập trình được, (2) có khả năng
chuyển đổi tín hiệu có cực tính (dải chuyển đổi ±
2,5 V), (3) sử dụng phương pháp lấy mẫu kiểu
delta-sigma, (4) độ phân giải tín hiệu là 24 bít,
(5) tần số lấy mẫu lên đến 32 Kbps, (6) dữ liệu
đầu ra theo chuẩn SPI, và (7) hỗ trợ nhiều kênh
đo [12].
 Mạch truyền cách ly tín hiệu: sử dụng IC
ISO7231M, là phần tử cách ly quang tín hiệu số

của TI hỗ trợ truyền giao thức SPI. Phần tử này
có các thông số nổi bật là: (1) tốc độ truyền tối đa
150 Mbps, (2) điện áp cách ly 4 kV ESD [13].
 MCU: sử dụng IC MSP430F5510, là phần tử có
hỗ trợ truyền thông SPI, USB, UART. MCU
được lập trình để nhận tín hiệu EMG số từ ADC
(theo chuẩn SPI qua mạch cách ly quang) để
truyền lên máy tính (theo chuẩn USB, UART)
[14].
 Nguồn cách ly: sử dụng môđun A0512D, là loại
nguồn DC-DC cách ly 1 KVDC, đầu vào 5 V (có
thể lấy từ máy tính qua cổng USB), đầu ra ± 12
V, công suất 1 W, hiệu suất chuyển đổi 80%.
Nguồn này cung cấp cho phần xử lý tương tự và
chuyển đổi ADC. Điện áp tham chiếu (± 2,5 V)
được tạo ra từ các mức điện áp ±12 V, bằng cách
sử dụng IC TPS7A4901 và TPS7A3001, là các
IC tạo nguồn tham chiếu chuyên dụng chất lượng
cao của TI [15].
Mạch được chế tạo theo hai bước, đó là: (1) chế tạo
từng khối mạch chức năng riêng rẽ, (2) chế tạo tích hợp
các khối mạch trên một bo mạch. Ở mỗi bước, các mạch
đều được đo và hiệu chỉnh các thông số hoạt động theo
bảng 1.
Thiết bị sử dụng để đo kiểm bao gồm: bộ công cụ NIELVIS II của National Instrumment, ôxilô DSO-X
2002A của Agilent Technologies, và thiết bị TeraOhm
5KV Insulation Tester của Duncan Instruments. Trong đó
bộ NI-ELVIS II được sử dụng để: (1) Tổng hợp các loại
tín hiệu dùng cho kiểm thử, tín hiệu này có thành phần
tần số và độ lớn tùy chọn khác nhau theo mục đích thử.

ISBN: 978-604-67-0349-5

Tín hiệu này được đưa tới đầu vào của các khối mạch xử
lý tương tự. (2) Thu lại tín hiệu đáp ứng của các mạch xử
lý tương tự, phân tích phổ tín hiệu thu được, và vẽ đặc
tuyến vào ra của các mạch. Các phép đo được thực hiện
trong phòng thí nghiệm ở điều kiện thường, với mức độ
chống nhiễu trung bình, theo các quy trình đo thông số đã
được chuẩn hóa.
IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Sau quá trình đo kiểm các thông số của mạch bằng
các thiết bị chuyên dụng, thấy rằng: (1) Các mạch chức
năng và mạch đo sEMG có thông số hoạt động đúng yêu
cầu thiết kế với sai số nhỏ (±1% theo bảng 1). (2) Giá trị
dòng dò và mức độ cách ly của mạch đo sEMG, được đo
theo quy trình đo quy chuẩn đối với các thiết bị y tế hiện
nay, là nhỏ (< 70 μA). Mạch đạt tiêu chuẩn an toàn điện
IEC 60601-1, đạt tiêu chuẩn của các thiết bị y tế hiện nay,
đảm bảo để đo thử trên tình nguyện viên.
BẢNG 2.
Các thông số của các mạch xử lý tương tự
Tên thông số
Giá trị
Các thông số của bộ khuếch đại đệm
Trở kháng vào
1012
Hệ số khuếch đại sử dụng
1
CMRR

90
Nguồn cung cấp
±12
Các thông số của bộ khuếch đại vi sai
Trở kháng vào
Hệ số khuếch đại sử dụng
100
CMRR
100
Nguồn cung cấp
±12
Mạch lọc thông cao
Tần số cắt (fc)
≈5
Hệ số phẩm chất (Q)
0,7
Mạch lọc thông thấp
Tần số cắt (fc)
≈ 450
Hệ số phẩm chất (Q)
0,7
Mạch lọc Notch
Tần số cắt (fc)
50
Hệ số phẩm chất (Q)
5,6
CMRR
50

Đơn vị

Ω
Lần
dB
V
Ω
Lần
dB
V
Hz

Hz

Hz
dB

Bảng 2 thể hiện các thông số của mạch đo tín hiệu
sEMG (hình 7), phần mạch xử lý tín hiệu tương tự đầu
vào, các tính năng khác của mạch đạt yêu cầu thiết kế
được liệt kê ở bảng 1.

Hình 7: Ảnh mạch đo tín hiệu sEMG hoàn thiện (kích thước 7x10 cm2).

315


Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)

Thực hiện đo tín hiệu sEMG cơ bắp tay của tình
nguyện viên, tín hiệu EMG này được hiển thị và được
phân tích phổ bởi phần mềm hiện sóng được xây dựng

bằng bộ công cụ Labview. Kết quả cho thấy, dạng và phổ
tín hiệu EMG thu được giống với mô tả trong các tài liệu
[1], [2], [4], và [6].

Hình 8: Tín hiệu sEMG được đo bởi mạch đo sEMG ở bắp tay khi co cơ
vừa phải (phần nhiễu nền rất nhỏ so với thành phần tín hiệu).



Mạch đo có khả năng truyền thông với máy tính
thông qua chuẩn USB với tốc độ Full Speed
USB. Ngoài ra, mạch đo đã được thử nghiệm
giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn Bluetooth
4.0 cho kết quả tương tự khi tần số lấy mẫu tín
hiệu nhỏ hơn 3 kHz.
Ngoài các ưu điểm được để cập ở trên mạch này còn
có các ưu điểm khác do sử dụng các linh kiện có mức độ
tích hợp cao và chất lượng, như: kích thước nhỏ, cho
phép tăng số lượng kênh đo, công suất tiêu thụ thấp, độ
tin cậy, và ổn định cao.
V. KẾT LUẬN
Mạch đo tín hiệu EMG được thiết kế theo các giải
pháp đề ra đạt các chi tiêu thiết kế, và có một số ưu điểm
hơn so với các mạch đo EMG được giới thiệu trước đây.
Mạch đo này có thể tích hợp trong hệ thống đo tín hiệu
EMG cố định hoặc di động. Các giải pháp được đề xuất
trong nghiên cứu này là hữu dụng cho việc thiết kế các
mạch đo tín hiệu điện cơ đồ chất lượng cao. Nó cũng
hữu dụng cho các thiết kế mạch đo các tín hiệu điện sinh
học khác như ECG, EEG.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Hình 9: Đồ thị phổ của tín hiệu sEMG thể hiện ở hình 8

Dựa vào kết quả đánh giá thu được cho thấy, mạch đo
tín hiệu sEMG có một số ưu điểm sau đây:
 Mạch đo có trở kháng đầu vào lớn, giúp làm
giảm ảnh hưởng của sự sai lệch của trở kháng
đường dây lên tín hiệu lấy vi sai. Nhờ đó, tín hiệu
vi sai chỉ là tín hiệu chênh lệch điện áp tại các
điện cực đo.
 Mạch đo có hệ số CMRR với nhiễu 50 Hz lên
đến hơn 140 dB. Do đó giảm được đáng kể sự tác
động của nguồn điện lưới lên tín hiệu, giúp làm
giảm yêu cầu chống nhiễu đối với môi trường đo
thực tế.
 Mạch đo sử dụng bộ chuyển đổi ADC có khả
năng chuyển đổi tương tự - số tín hiệu có cực
tính và có bộ khuếch đại nội có hệ số khuếch đại
thiết lập mềm, nên không cần sử dụng mạch dịch
mức và mạch khuếch đại rời rạc bên ngoài. Do
đó, tín hiệu sẽ không bị sai lệch và méo dạng khi
chuyển đổi ADC, mạch chạy ổn định nhỏ gọn, độ
tin cậy cao.
 Mạch đo không gây sai lệch tín hiệu khi thực
hiện truyền cách ly tín hiệu. Bởi vì, tín hiệu
tương tự được số hóa trước khi truyền qua bộ
cách ly quang. Đồng thời, chi phí cho nguồn cách
ly mức độ cao (1 KVDC) nhưng có công suất

nhỏ (< 1 W) thấp.

ISBN: 978-604-67-0349-5

[2]

[3]
[4]

[5]

[6]

[7]
[8]
[9]
[10]

[11]
[12]
[13]
[14]
[15]

316

Peter Konrad, The ABC of EMG: A Practical Introduction to
Kinesiological Electromyography. Version 1.0 April 2005,
Noraxon INC. USA
Basmajian JV, De Luca CJ, Muscles Alive. Their Function

Revealed by Electromyography. Williams & Wilkens,
Baltimore, 1985.
Webster, John G. (1998). Medical Instrumentation: Application
and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
Aminoff; Aminoff’s Electrodiagnosis in Clinical Neurology.
6thd ed. Saunders British Library Cataloguing in Publication
Data, 2012
Hutten GJ, van Thuijl HF,.. A literature review of the
methodology of EMG recordings of the diaphragm, Pubmed,
May 2009.
Duchêne J and Gouble F (1993) Surface electromyogram during
voluntary contraction:Processing tools and relation to
physiological events. Critical Reviews in Biomedical
Engineering 21(4):313–397
Zumbahlen, Hank, editor, 2008. Linear Circuit Design
Handbook, Newnes, ISBN 978-0-7506-8703-4.
Roland D. Thomas and Albert J. Rosa, The Analysis and Design
of Linear Circuits, USA, John Wiley and Sons, Inc., 2001.
Sedra, A.S. and K.C. Smith. Microelectronics Circuits. 4th ed.
New York: Oxford University Press. 1998.
Nihon Kohden, Basic guide to EP/EMG measurement,
Technical Education Series Neuro Series No. 4 (EP/EMG
Basics)
Texas Instruments. INA129 Instrumentation Amplifier
datasheet, 2014.
Texas Instruments. ADS1294 Analog Front End datasheet,
2014.
Texas Instruments. ISO7231M Triple Digital Isolators
datasheet, 2014
Texas

Instruments.
MSP430F5510
Mixed
Signal
Microcontroller datasheet, 2014.
Texas Instruments. TPS7A3001, Ultralow-Noise, Negative
LINEAR REGULATOR datasheet, 2014.