交流脑电放大器设计报告.doc

交流脑电放大器设计报告30042023241孟琳一概述脑电信号的测量是反映大脑电活动的重要指标。它是用放在头皮表面的电极检测并放大与大脑神经有关的生物电位。临床上常用于诊断颅内病变，探讨脑疾病的演变过程和药物疗效观察等等，具有很重要的意义。脑电是非周期信号，无论在幅值方面还是相位和频率方面都是连续变化的。脑电按频率分可以分为5种：0.54HZ 20200V 熟睡严重或脑疾时出现：48HZ 情绪不好时出现：813HZ 200100V 安静时：1340HZ 520V 紧张时出现：2230HZ及更高频率 2V我们设计的脑电放电器主要放大以上信号，其中以波为主。二系统设计（1）整体参数设计头皮表面脑电信号范围是1100V，所以整个信号放大2400倍，输出0.00240.24V脑电信号频率范围为0.5100HZ，所以电路设计通带为0.5100HZ。输入短路噪声3V以下。第一部分放大器的输入阻抗应大于5M。（2）系统框图保护电路前置放大器时间常数右腿驱动仪表放大器光电耦合高通与放大50HZ陷波器后级放大低通滤波 第一部分和光电耦合的前部分需要另外用电源（3）各部分参数分配：第一部分 前置放大器放大倍数为4，CMRR=80dB，Rin5M 无源高通 RC耦合放大器的低频响应0.5Hz 仪表放大器 放大倍数50第二部分 光电隔离 增益为1第三部分 高通与放大 高通截止频率0.5HZ，放大增益为2第四部分 低通滤波器 低通截止频率100HZ第五部分 50HZ陷波器第六部分 后级放大 增益为6倍（4）运放均为LM324。（5）前端电路5V供电，后端电路12V供电。三 单元电路设计 设置保护电路作为生物医学测量的生物医学放大器在前级设置保护人体安全和保护放大器的电路是很必要。保护电路使通过电流保持在安全水平，同时考虑到作用于人体的其他医学测量设备或可能重在的某种干扰对放大器的破坏作用。保护电路要求在输入出现5000V高压时不会损坏电路，二级管D1D4选用低漏电的微型二极管IN4148，其最大允许通过的瞬时电流是100mA，因此限流保护电阻选R0=R0=50K。前置放大器根据脑电信号的特点，其前置放大器应满足以下几个要求：1）高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于5M。2）高共模抑制比CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰。前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。共模抑制比应在80dB以上，最好高于100dB。3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。参数选择a由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此，生物电放大器的前级增益不能过大，避免放大到后级饱和失真，本电路选为1=4。同时由于存在比较大的电极电压，导致工作点产生漂移。为使其不致偏移出放大器的线性工作区，要求前置放大器有宽的线性工作范围，以使心电信号不发生波形失真。b由于信号源内阻可达几十K、乃至几百K，所以，生物电放大器的输入阻抗必须在几M以上。故前级形式上采用A1、A2并联的高差动输入阻抗的放大电路，在理论上，若运放理想，因并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，使共模抑制比也无穷大；理论其共模抑制比与外围电阻的精度和阻值无关。c实际差动放大电路的共模抑制比受到放大电路的闭环增益、外围电路电阻匹配精度以及放大器件本身的共模抑制比（CMRRD）等诸多因素的影响。d除有源器件外，各回路的电阻均贡献噪声，而且与其在电路中的位置有关。与A1、A2端相连的R1、R2的噪声相对影响最大。在低噪声设计中除了认真选择低噪声类的电阻外，在有源器件的允许条件下，尽量选择低阻值的外回路电阻。前级总等效输入噪声电压与（1+2R2/R1）成反比，适当加大R2/R1值有利于降低噪声。实验表明，当（R2/R1）5时，噪声有明显的增加。仪表放大器AD620AD620是一种只用外部电阻就能设置放大倍数为11000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成的，但一些主要功能却优于三运放的仪表放大器设计，电源范围宽（2.3V18V），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅为1.3mA）。因而使用于低电压、低功耗的应用场合。放大倍率计算公式：共模抑制电路右腿驱动电路体表驱动电路是专为克服50Hz共模干扰，提高CMRR而设计的，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动。通常，病人在做正常的心电检测时，空间电场在人体产生的干扰电压以及共模干扰是非常严重。而使用右腿驱动电路就能很好地解决了上述问题。下面两个图片就是右腿驱动电路主要构成。其中反馈共模电压可以消除人体共模电压产生的干扰，还可以抑制工频干扰。右腿不直接接地，而是接到辅助放大器A3的输出端。从两电阻的结点检出经辅助反向放大器放大的供模电压。可以在很大程度上抑制共模干扰.综合以上几部分的总电路光电隔离心电放大器的漏电流会使做心电检测的对象受到电击。为保证安全，必须采取隔离措施将与受检者相连的输入部分和前置放大部分的地线同同整机的地线相隔离参数说明：1）R1=R2=R3=1 前级电路把输入电压信号转换成与之正比的电流信号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光敏三极管输出电流信号。第二个运放将电流信号转换成电压信号。电路中的三极管补偿光电耦合的非线性。2）VS5V，电池5V供电； VC12V，为交流电稳压到12V后直接供电；3）光电耦合用TLP521-14）R6R7=330,C1=1,fo=0.48HZ高通（主要用于隔直流）与放大参数说明：C=10,R=200K,R1=400K,放大倍数Adv2=2因为光电耦合后，可能出现直流的漂移，所以电容来隔直流。六阶高频信号滤波电路（低通电路）高频滤波可用专用开关电容多阶滤波器或巴特沃斯滤波器或其他滤波电路，时间常数可用一般的RC电路。设计中选用巴特沃斯滤波器。不同阶数的巴特沃斯低通滤波器的幅频特性不同,滤波器的阶数N越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近于理想幅频特性。一个N阶滤波器可以用多个二阶滤波器（n为偶数时）或一个一阶滤波器和多个二阶滤波器组成（n为奇数时）。在设计中用六三阶阶滤波器就可以了。将三个二阶滤波器参数说明：截止频率f0=100HZ 根据归一化公式得R1=R2 =R3=R4=R5=R6=10K C1C20.15F,C3=0.22F,C4=0.1F,C5=0.67F C6=0.047F 消除50HZ共频干扰用手触摸示波器便能观察到人体上耦合的50HZ电压波。如图所示Cd1为人体50HZ，220V馈电线之间的分布电容。Cd2为人体与大地之间的分布电容。Cd1Cd2.若取Cd2=10Cd1。人体Ucm完全淹没生物信号，即使采用差动放大器。50HZ干扰电压作为共模电压，也会超过放大器输入端的动态范围，所以对50HZ干扰做单独处理。带阻滤波器电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。这种滤波电路也叫陷波电路，经常用于电子系统抗干扰。在设计当中尤其要注意带阻滤波器防止发生如切频等情况。在=50Hz之外的信号可以通过，而在陷波处把要滤除的信号滤除掉。设计中采用RC双T带阻滤波器。采用LM324构成的双T网络进行限波。限波50Hz.由于双T网络中，限波频率对电容、电阻的匹配很敏感；当选择1%电阻和5%的电容时能产生好的滤波效果.理论上，33.8 K的电阻在实际连接的过程中为29.6 K，使陷波的频率在49.550.5HZ参数说明：计算的理论参数：R1=R2=68K R3=34 K 电位器R520 K（调节陷波深度） R4500C1=C2=0.0047F C3=0.1Ffo=49.79HZ实际选用的参数：R1=R2=60,R3=30,C1=C2=0.0056F,C3=0.1F说明：双有源滤波器用来抑制工频干扰。接成电压跟随电路，输入阻抗高，输出阻抗低，同时可以提高滤波器的带负载能力。调节R5可以调节中心频率。后级放大器负反馈放大6倍（后加了一个可变电阻来调节增益），加高通滤波，隔断由于放大器失调产生的直流电压。参数说明： C1=100 R1=20 f0=0.5HZ, R3=120 Ad=6稳压电路采用的是三端集成稳压器上端电路输出12V，下端电路输出12V。电路的前端为全波整流电路。7812输入端正常的输入电压为2050V。所以经过整流后的电压必须在这个范围内，才能得到稳定的输出，输入电压至少要比输出电压高23V。电路中接入的电容1000、0.11用来实现频率补偿，防止自激振荡、减小高频噪声和改善负载的瞬态响应。200用以减小由输入电压引入的低频干扰。D为保护二极管，当输入端短路时给一个放电回路，防止调整管的发射结击穿。前面的变压器将220V降压到2050V。三端稳压价格十分便宜，网上报价为0.79元。小结：原设计用DC/DC隔离但在实验中由于资金问题没有用DC/DC隔离转换，前级用电池供电前置放大的运放采用的是LM347，为减少噪声，得到更高的共模抑制比附：TLP521-1参数管脚图 LM324主要参数电压增益 100d B单位增益带宽 1MHZ单电源工作范围 3V30V输入失调电压 2mV(最大值7mV)输入失调电流 5nA50 nA输入共模电压范围 V-V+-1.5V (双电源时)输出电流 40mA放大器间隔度 120dB测试报告一 前置放大部分（1）静态工作点 将放大器两输入端对地短路，测量输出电压V=6.9mV（2）输入噪声 按(1)测出电压，计算输入噪声Vin=0.054mV（3）输入阻抗 将输出接地，用万用表电阻档测量两个输入端Rin=42.2M 在输入端串联一个电阻，测量串联电阻后的输出电压Vo1然后再测出不串联该电阻时的输出电压Vo2，根据该电阻所分得的电压，计算输入电阻（4）输出阻抗 Rout=0.6（5）差模增益 将电压接到一个输入端，另一端接地，测量输出电压，计算差模增益Vi=18.45mV,Vo=2.32V Ad=126（6）共模增益 将放大器输入端共同接同一电压，记入输出电压，计算共模增益Vi=2V Voc=0.035V Ac=57（7）计算共模抑制比 CMRR=20=77由于共模抑制比不够高，所以波形的噪声较大，信噪比不高。（8）零点漂移 将放大器的输入对地短接，相隔10分钟，用示波器两次观察输出电压的变化并计算 零点漂移0.99mV二 光电耦合理论上不应有放大的，但却放大了3倍多，跟同学讨论后认为可能是温度对光耦器件的影响导致的）输入电压（V）输入电流（mA）输出电压（V）输出电流（mA）电流传递函数1.0012.952.96Io=2.98Ii1.51.54.454.44721.986.006.002.382.367.107.09三 低通滤波器理想截止频率为100HZ输入电压为12.2V，测量的电压数据列表80.74HZ90.04HZ94.2HZ96.53HZ100HZ109.1HZ12.20V10.20V9.00V8.45V（0.707）7.65V6.05V115.9HZ120.4HZ148.8HZ160HZ240HZ276.84.30V3.50V1.20V0.60V0.1840.00V带宽有些大了，所以引入了一些肌电信号，加大了干扰。四 50HZ陷波输入电压12.2V,测量电压数据列表13.86HZ25.88HZ30.08HZ36.23HZ39.96HZ42.65HZ12.2V12.15V11.9V10.85V10.158.55(0.707V44)47HZ49.82HZ54.55HZ58.71HZ60.59HZ74.65HZ3.98V0.790V（中心频率）5.50V8.55(0.707V)9.35V12.15V五 总体参数未加后级放大部分（参数是由示波器测量的，加上后级放大后，超过量程无法测量，所以将电路分为两次测量）输入