脑电信号检测.docx

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题 目： 测 控 仪 器 电 路 学院（系）： 电 气 工 程 学 院 年级专业： 生 物 医 学 工 程 1班 学 号： 080103040021 学生姓名： 刘 陈 龙 指导教师： 赵 勇 教师职称： 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 电气工程学院 基层教学单位：生物医学工程系 学 号080103040021学生姓名刘陈龙专业（班级）生物医学工程1班设计题目脑电信号的采集电路的设计设计技术参数前置放大器要有较高的放大增益，较高的共模抑制比，符合脑电信号检测的要求。滤波电路，通带频率0.05Hz-59Hz，增益为10倍。去除50Hz工频的干扰。设计要求设计的电路要根据脑电信号的特点，如微弱、频率低、幅值低等，选择合适的参数设计高性能的放大滤波电路。注意脑电信号的干扰较多，去除烦扰也是一大难点。工作量根据所给题目确定设计方向。总体的规划设计和详细的设计。提交任务书，答辩。工作计划周一根据所给题目查找资料确定设计方向。周二进行总体的规划设计。周三、周四进行详细的设计。周五进行格式设计，提交任务书，答辩。参考资料李刚，测控仪器电路，李美，杨世清，脑电信号采集系统设计方法，自动化与仪器仪表，2007年6月陈真诚， 钟靖，脑电信号采集预处理电路设计，中国医学物理学杂志，2009年7月，第26卷第六期指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011年 6 月 17 日 目 录引言1系统设计方案1滤波器的设计4滤波器的选择41、滤波器类型的选择.42、滤波器阶数的选择43、滤波电路的实现44、50Hz工频陷波的设计8总结12参考文献12II脑电信号采集电路的设计引言所谓脑电信号(EEG)就是脑部神经细胞电位变化的情形。自从1924年德国精神病学家，耶那大学的Hans Berger教授首次发现并记录到人脑有规则的电活动，脑电的研究就一直得到生物医学研究领域和临床应用方面的高度重视。依据脑电图仪与临床生理学会国际联盟的分类，脑电信号的频率分为4个频段：分别是波 (0.5-4HZ，20200uV)、 波(48 Hz，100uv一150uV)、波(8-13Hz，20100uV)、波(13-30 Hz，5-20uV)。这些意识的组合，形成了一个人的内、外在行为上的表现。脑电信号的特点首先，脑电信号非常微弱，一般只有50 V左右，幅值范围为5 V100 V1。所以，脑电信号放大增益要比一般的信号高得多，一般要放大20000 倍左右。第二， 脑电信号头皮与颅骨通常几千欧姆的电阻，所以要求前置部分有很高的输入阻抗，以提高脑电信号索取能力，一般输入阻抗要大于10 M。第三， 脑电信号的频率低， 一般在0.1 Hz - 100Hz，需要滤除脑电信号频率以外的高频干扰。第四，在普通环境下，脑电信号采集受到工频干扰等共模干扰，信噪比通常低于-10 dB。工频干扰主要是以共模形式存在，幅值在mV 数量级，所以要求放大器具有很高的共模抑制比（CMRR, commonmode rejection ratio），一般要大于120 dB。第五， 在电极与头皮接触的部位会产生电位差，称为极化电压。极化电压一般在几毫伏到几百毫伏之间，理想情况下，在用双电极提取人体两点电位差时，两个电极保持对称则可以使极化电压互相抵消，但实际上，由于极化电压和通过电极电流大小、电极和皮肤接触阻抗不对称等很多因素有关，所以不可避免造成干扰，尤其当电极和皮肤接触不良时，干扰更严重如果在仪表放大器的前端不做处理，极化电压的存在使得前置放大器的增益不能过大。除了极化电压的干扰外，还受主体的呼吸及运动等低频干扰，这些都是要考虑的。第六，必须考虑被测者的生理自然性和保证操作安全性等。系统设计方案基于以上对脑电信号的分析，提出整个系统由信号采集、前置放大、信号滤波、AD转换、信号处理（包括分析、显示、存储等）。而前置放大、信号滤波是系统设计的重点。前置放大电路设计一目前生物电放大器前置级电路普遍采用的是由OBrient提出的非常经典的同相并联结构的前置级放大电路旧J这种结构的电路由3个基本运算放大器构成，其中2个组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器的输入阻抗，另一个为差动放大，作为放大器的第二级，其共模抑制比取决于第一级放大电路中2个运放共模抑制比的对称程度、第二级放大电路运放的共模抑制比、差动放大级的闭环增益以及电阻的匹配精度等早期生物电信号尤其是脑电信号的采集往往因为器件的因素而无法取得很好的效果。近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的由同相并联结构的三运放电路集成的仪表放大器，如美国TI公司、BB公司和“ne8r公司等生产了很多不同档次的集成化仪表放大器，为设计生物电放大器提供了充分的选择，为在集成化的仪表放大器的基础上设计生物电信号前置级电路提供了较为便利的条件。现在应用比较典型的电路是应用AD627BR集成运算放大器实现信号放大的功能。如图为AD627BR集成运算放大器的内部结构。运用AD627BR组成的放大电路如图：仿真结果如下：分析：输入为差分信号，Vi=(2-1)V=1V。RG=2K，GAIN=10+（200K/RG）=110；仿真后输出110.114V。 它具有以下特点（1） 增益可通过外接电阻在5-1000之间任意调节，计算公式为GAIN=10+(200K/RG)。取GAIN=1000。（2） 高输入阻抗, ，20G；（3） 高共模抑制比，,增益为100时， 共模抑制比125db.（4） 最大输入失调电压125uV,最大输入失调电压偏移1uV/c。（5） 增益为100时, 非线性误差为1.25%。设计二如图l所示的电路结构：l前级采用运放Al和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。2阻容耦合电路(时间常数电路)放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称(匹配)导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。3后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。共模增益。经过实际测量，图1所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。 图1前级 A1=（R1+R2+R3）/R1=21 图1.2时间常数电路 A3=0.001476（输入频率为50Hz） 图1.1INA128P的内部结构图如图1.1所示，A2=(25K+25K+500)/500=101所以总的A=A1*A2*A3=3.13（输入频率为50hz时）所以当输入为200mv时，输出为626mv，结果如图1.3所示图1.3为了进一步提高电路的实用性，提高电路对工频干扰的能力，图2所示电路中增加了生物电信号检测中常用而有效的右腿驱动电路。图2设计三为了克服外界的干扰，三个关键参数对抗干扰很重要。一是共模输入方式，二是使用滤波器，三是采用电池供电。提高输入阻抗，首先要选用具有高输入阻抗的放大器，其次要接成跟随器。跟随器的接法如图3.1所示：图3.1微电极放大器前级加跟随器，后级才是起放大作用的运算放大器。对于生物信号而言，放大器的放大倍数需要很高，这不能在一级放大器上就设置这么高的倍数。如果设置很高的放大倍数，放大器极易发生振荡，不能正常工作。因此要用多级放大器来实现数千倍的放大率。本设计中，用了3级运算放大器来实现高的放大倍数。共模输入就是记录神经信号时，使用参考电极如图3.2所示：将记录电极接在跟随器1的输入端将参考电极接在另外一个跟随器的输入端。参考电极的电学特性要和记录电极尽量一致，而且尽量要放在电位变化不灵敏的地方。图3.2本设计多级运算放大器采用3级运放。如图3.3，3.4，3.5所示：这里的运算放大器采用的是TI公司的产品TLV2264，它的性能指标与TLV2262一样，所不同的是前者是4运放。图3.3图3.4图3.5根据放大器的基本知识，很容易计算出放大倍数：第一级放大倍数G1=R3RI=9，第二级放大倍数G2=R7R6=15，G3=Rl9R10=1015。这样三级共放大倍数G=G1*G2*G3=13502025。滤波器的设计滤波器的主要作用是选频和信号的放大，对于波要求通带频率为8-12Hz， 对于波要求通带频率为16-30Hz，波频率4-8Hz，波频率0.5-4Hz。所以，应设计带通滤波器。针对一般的实验用途，把低通滤波器的截止频率设为59 Hz，高通滤波器的截止频率设为0.05Hz。放大倍数选择10倍。滤波器的选择1、滤波器类型的选择.由于脑电信号对相频特性敏感，故选择群延时特性较好的Bessel低通函数。2、滤波器阶数的选择由于存在较多的干扰，要求滤波器有较好的锐截止特性。 故选择由二阶高通电路和二阶低通电路所组成的四阶带通滤波器。3、滤波电路的实现我们选择如图所示的单端正反馈形式的二阶低通电路。传递函数为 和二阶低通滤波函数的归一化S域的形式比较, 可得到：为了保证电路的稳定工作，必须有0，当k值确定以后，对两个电容的比值加以限制：对于确定电容之后可以由下式确定电阻：我们选择K=10,3db时截止频率59Hz。查表得Bessel低通函数的系数为：=1.367， =0.618，=0.58。由于电阻的取值相对较为灵活，根据上述公式先选取电容：C5=360nf C3=360nf。算得R2=15.3 K，R1=3.21 K。电路图如图所示：仿真结果：我们选择如图所示的单端正反馈形式的二阶高通电路，传递函数为：和二阶高通滤波函数的归一化S 域的形式比较,，并且取C1=C2=C， 可得到：为了电路的稳定工作，增益K 必须满足：1K1+当电容C选定后, 可以求出：查表得Bessel低通函数的系数为：=1.367， =0.618，=0.58。我们选择K=10，电容选取C1=C2=3Uf,算得R1=8.82K,R2=36.2K。电路图如图所示：仿真结果如下：4、50Hz工频陷波的设计人体处在一个复杂的电磁环境中，工频50 Hz及其谐波辐射到人体产生的电压能达到1 V 。虽然通过提高前置放大电路的共模抑比能抑制共模信号，然而还会有相当高的50 Hz干扰以差模形式进入到电路中，其幅值最高能达到几毫伏。 远大于有用的脑电信号幅值。因此在放大电路中对50 Hz干扰进行抑制就成为一个重要的课题。否则输入信号放大10000 倍后， 由于50 Hz 干扰的存在，信号就会在放大器中饱和，造成信号失真。（1）50 Hz 陷波电路如图所示的50 Hz 陷波电路由两部分组成，第一部是由U1A 及R1、R2、R3、C1、C2 组成的多重反馈有源带通滤波器；第二部分是由U1B 及R4、R5、R6 组成的加法电路。将多重反馈有源带通滤波器的中心频率点调整为50 Hz ，信号经过多重反馈有源带通滤波器时，只有50 Hz 信号能通过，并且相位反向，反向后的50 Hz 信号在加法电路中与原始信号相加，原始信号中的50 Hz 信号被抵消，其他频率成分通过，从而达到消除50 Hz 工频干扰的目的。该电路巧妙的利用了多重反馈有源带通滤波器良好的频率选择特性和信号通过后相位反向的特性，实现了50 Hz 信号的限波。带通滤波器参数如下：中心频率0 :品质因数Q:通带增益H0 为:（2）工程设计中电路参数的选择在工程设计中, 常取C1 = C2 = C , R1 R2 , 因此以上三式可简化为:为了方便电路调试和器件选型，取R3 = 2R1 ，这样带通滤波器通带增益H0 = 1，取R4 = R5，让经过带通滤波器后的信号与原始信号等权相加，这样50 Hz 信号在加法电路中正好抵消，可通过调节R6来调整整个限波电路的通带增益。由于电阻电容标称值误差的存在及电阻和电容只能在规定的序列里面选择，需要通过调整R2 的值来调整限波电路的中心频率, 因此在工程设计时, R2 常设计成可调电阻。工程中实际使用的50 Hz限波电路及参数：仿真结果：总结本文提出了几种脑电信号采集处理中常用的电路，包括放大、滤波、50Hz工频陷波处理。依据脑电信号的频谱分布、幅值大小等特点，设计出满足脑电信号采集特点的处理电路。这些电路都是经过广泛测试的，在应用中也取得了良好的效果。希望通过以上的总结分析，能够了解掌握它们的应用方法，并能将它们的设计思路应用于实践中。参考文献李刚，