Transcript 2010의용시스템설계 및 실습 2(1)

EMG (electromyography)
Ji-Won KIM
Type of muscle tissue
Only in the heart
 Blood circulation
 Delivery of nutrients
 Removal of cell waste
Attached to the skeleton
 Move one part of body
 Move the entire body
(walking or swimming)
 Located in the walls of
hollow organs
 Intestines
 Blood vessels
 Lung
Motor units
동영상1
동영상2
The combination of a single motor neuron and all of the muscle fibers it control
Electromyography
The detection, amplification and
recording of changes in skin voltage
produced by underlying muscle
contraction
Sum of Action Potentials
Single fiber impulse

Less than 100uV
Sum of impulses from many fibers
simultaneously conducting



~1mV
Induce voltage difference
in the overlying skin
Can be detected by
surface electrodes
Application of EMG
 의학연구 분야
 정형외과학, 수술, 기능적 신경학, 보행 및 자세분석
 재활의학
 수술후/사고치료, 신경학적 재활, 물리치료 및
작업치료
 인간공학
 작업부하 분석, 인체유해요소 예방, 인간공학적
디자인설계, 인간공학적 제품 인증
 스포츠 과학
 운동역학, 동작분석, 선수 근력강화 훈련, 스포츠재활
Application of EMG
 For disabled person
 동영상1
 동영상2
 동영상3
 동영상4
EMG 회로의 구성
기초 의용시스템 설계 및 실습 2 < EMG & EC G c irc u it > - 2 0 1 0 년 2 학기
+Vcc
Check point 1
+Vcc
Check point 2
R6
Check point 3
+Vcc
100u
+Vcc
8
TL072
-
5
+
R4
- IN
+
100u
10M
120k
TL072
3
2
+
OUT
2
C10
-
1
1
160K
2
data A
JUMPER 3
4
10M
1
JUMPER 2
4
120k
-Vcc
전원부
-
4
4
-Vcc
7
OUT
6
8
0.022uF
R3
V+
0.022uF
1
OUT
2
8
+
2
JUMPER 1
+Vcc
100u
100u
V+
1
4,7k
C9
20k
V-
5
REF
R7
C5
V+
3
0.47u
6
OUT
RG2
-
V-
8
2
V+
7
510
0.01u
51k
C3
TL072
V-
+ IN
AD620
3
1 +
RG1
V-
+
0.01u
100u
+Vcc
Buffer
G = 98
C6
0.022uF
R9
C7
0.022uF
100u
2
-Vcc
-Vcc
-Vcc
20k
1
R8
20k
3
10K
V1
1K
3Vdc
HPF Fc = 1.6Hz
V2
HPF Fc = 2.1Hz
Notch Filter
Fc = 60Hz , G = 2
Body Ref.
3Vdc
Gain Control
10K -> G = 11
-Vcc
ECG Check point
0.01u
EMG Raw data
Check point 4
Check point 5
16K
Check point 6
+Vcc
100u
+Vcc
4
6
OUT
2
-
100u
2
8
+Vcc
V+
V+
8
8
-
-Vcc
TL072
5
+
1
68K
OUT
-Vcc
6
0.47u
-
output signal
7
10K
-Vcc
-Vcc
560
10K
+15V
4
-Vcc
-
1
3
3
16K
500K
1
V-
16K
EMG
rectification
signal
+Vcc
OUT
2
2
JUMPER 5
+Vcc
+
V-
1
560
16K
0.01u
7
TL072
3
1N4148
7
4
-
+Vcc
OUT
4
OUT
6
TL072
5
+
4
JUMPER 4
560
TL072
3
+
2
JUMPER 6
8
V+
8
1
V+
-
+
V-
2
2
V-
16K
1
4
100u
-Vcc
0.01u
1K
100K
2
Buffer
1K
20K
1K
1
16K
1
V-
OUT
0.1u TL072
5
V+
0.01u
V+
data A
0.1u
V-
8
100u
TL072
3
+
2nd LPF Fc = 1KHz
2nd HPF Fc = 100Hz
2nd LPF Fc = 1KHz
Active
Half-Wave
Rectifier
LPF Fc=0.6~5Hz
-15V
Offset Control
Differential amplifier (차동증폭기)
이상적인 OP AMP
전압이득: 무한대
입력저항 (input impedance): 무한대
출력저항 (output impedance): 0
주파수 대역폭(bandwidth): 무한대
오프셋 전압 및 전류: 0
온도에 따른 특성 변화가 없다(zero drift)
8
+Vcc
2
+
1
-
4
3
-Vcc
TL072
Vout
Inverting amplifier(반전증폭기)
0
+Vcc
8
U1A
3
R1
2
iin
i2=0
가상접지
+
1
-
TL072
4
Vin
-Vcc
R2
iin
회로해석
Vin  iinR1
Vout  iinR2
Vout
R2
A(이득 ) 

Vin
R1
Vout
Noninverting amplifier(비반전증폭기)
+Vcc
-
TL072
R2
R1
4
가상단락
1
i1
2
v2
Vout
+
i1
3
0
8
v1
Vin
-Vcc
 회로해석1

0
V1 - V2=0 (이득은 무한대이므로), Vin= V1 =V2
Vin  i1 R1,Vout  i1( R 2  R1)
Vout R1  R 2
R2
A(이득 ) 

 1
Vin
R1
R1
 회로해석2(전압분배)
V2 
R1
Vout
R1  R 2
A(이득 ) 
Vout R1  R 2
R2

 1
Vin
R1
R1
Differential amplifier (차동증폭기)
0
R2
Vin1
+Vcc
R1
0
3
R1
2
0
iin
+
Vout
1
-
TL072
v2
4
Vin2
U1A
8
v1
-Vcc
R2
 회로해석1



R2
V1  V 2 
Vin1
R1  R 2
비반전증폭기
R1에 흐르는 전류 = R2에 흐르는 전류
따라서, V 2  Vin 2  Vout  V 2 => Vout  V 2( 1
R1


iin
=>
=>
R2
R2
Vout
R2
1
1
Vin 2
(
Vin1)(  ) 
R2
R1  R 2
R1 R 2
R1
Vout 
R2
(Vin1  Vin 2)
R1
1
Vin 2
)
R1 R 2
R1
=>

Vout
R2
R1  R 2 Vin 2
(
Vin1)(
)
R2
R1  R 2
R1R 2
R1
Differential amplifier (차동증폭기)
0
R2
Vin1
+Vcc
R1
0
Vin2
3
R1
2
0
+
1
-
Vout
TL072
v2
4
iin
U1A
8
v1
-Vcc
R2
 회로해석2 (중첩의 원리)


iin
R2
Vin 2
R1
R2
V1  V 2 
Vin1
R1  R 2
Vout 2  
반전증폭기
비반전증폭기
R2
)V 1
R1
R2
R2
Vout1  (1 
)(
)Vin1
R1 R1  R 2
Vout1  (1 
Vout  Vout1  Vout 2  (1 
R2
R2
R2
R2
)(
)Vin1 
Vin 2 
(V 1  V 2)
R1 R1  R 2
R1
R1
차동증폭기의 장점
동상신호를 제거할 수 있음


공통전압이득에 대한 차동전압이득의 비로 정의
CMRR = A/ACM
차동증폭기의 제한점
입력저항(input impedance)이 비교적 낮음
이득(gain) 변경을 위해서는 두 정합 저항을
변경해야 함 Vout  R 2 (Vin1  Vin 2)
R1
차동증폭기의 제한점 극복
0
+Vcc
+
1
-
TL072
3
2
4
2
+Vcc
R2
R1
U1A
8
3
0
U1A
8
Vin1
+
1
-
TL072
4
-Vcc
+Vcc
0
3
R1
+
1
-
TL072
4
2
-Vcc
U1A
8
Vin2
-Vcc
Voltage follow 추가

입력 임피던스 문제 해결
R2
Vout
차동증폭기의 제한점 극복
0
+Vcc
2
+
v3
1
-
+Vcc
R2
R1
TL072
3
4
R3
2
-Vcc
Vin1
0
2
+
i1
U1A
8
3
Vout
+
1
-
TL072
4
+Vcc
Vin2
RG
Vout
-Vcc
1
-
TL072
Vin2
4
R3
-Vcc
v4
R1
Vin1  Vin 2 Vin

RG
RG
Vout  V 3  V 4  i1( R  RG  R)
Vin
Vout  V 3  V 4 
( R  RG  R)
RG
Vout
1
2R

( RG  2 R)  1 
Vin
RG
RG
i1  
U1A
8
3
0
U1A
8
Vin1
R2
Instrumentation amplifier
Question?