脑电图机放大电路的设计与仿真概要

1、第25卷第8期计算机仿真2008年8月文章编号:1006-9348(-0300-04脑电图机放大电路的设计与仿真刘国立,王一丁(中国科学院研究生院,北京摘要:在现有生物电放大器研究的基础上,改进并设计了一种符合脑电信号特征的新型高性能放大电路,避免了传统生物电放大电路冗繁的模拟滤波环节。设计中利用TI公司的低功耗仪表放大器I N A326,得到了较高的共模抑制比;进而通过50Hz陷波器和低通滤波器,有效地消除了脑电信号强大背景噪声的干扰,实现了微弱脑电信号的放大和采集;最后利用TI2NA仿真软件对该前置放大电路和50Hz陷波器进行了设计的仿真验证。结果表明,放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比

2、、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强的特点,具有较强的实用性。关键词:脑电;仿真;共模抑制比;前置放大器;陷波器中图分类号:TP39119文献标识码:BD esi gn and S i m ul a ti on of Am pli f i er of Electroencepha lographL IU Guo-li,WANG Yi-ding(Graduate University of Chinese Acade my of Sciences,Beijing,P.R ChinaABSTRACT:On the basis of existing bi ol ogical electricity

3、a mp lifier which is studied,a design of ne w type and highperfor mance amp lifier circuit was p r oposed which is in agree ment with the characteristic of the EEG signal and thecircuit has p revented the traditi onal design fr om enlarging the m iscellaneous si m ulati on of the circuit and straini

4、ng thewave link.First,the high Common Mode Rejecti on Rati o(C MRRwas achieved by the use of instru mentati on a m2p lifier I N A326with l ow consu med power;Then,in order t o eli m inate the str ong backgr ound noises of EEG signal,50Hz notch filter and l ow-pass filter have been intr oduced in thi

5、s design and realized the a mp lificati on and collec2ti on of weak EEG signal.Finally,the feasibility of the design is p r oved according t o the si m ulati on of p reamp lifierand50Hz notch filter by the use of TI N A s oft w are.The results indicate that the circuit has a bright app licable futur

6、ebecause of its characteristics of high input i m pedance,high C MRR,l ow noises,l ow degree of nonlinear and high anti-interference ability.KE YWO R D S:Electr oencephal ogra m(EEG;Si m ulati on;Common Mode Rejecti on Rati o(C MRR;p rea mp lifier;Notch filter1引言人体大脑皮层的神经元具有自发的生物电活动,使得大脑皮层经常具有持续的节律性

7、电位的改变,临床上利用双极或单极记录方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化,记录到的脑电波称为脑电图(EEG1。脑电图机就是用来研究大脑神经细胞活动的精密电子仪器,它能迅速而准确地记录大脑两半球电活动的曲线。由于脑电信号属于低频微弱的自然信号,其幅值一般在015100V,频率为01540Hz,具有不稳定和非线性的特点,容易受到各种噪声的干扰,为了对其进行处理、记录及显示,必须首先把电极检测到的脑电信号放大到所要求的强度,因而信号放大器就成为脑电图机的关键环节及设计的主要内容,而放大器的核心是前置放大,目前生物电放大器前置级电路普遍采用的是由OB rient提出的非常经典的同相并联结构的前置级放大电

8、路2。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,由于该电路共模抑制比较低(60d B且对电阻的匹配精度要求很高,因此这种传统设计无法得到较好的脑电信号,成为脑电图机放大电路设计的瓶颈。近年来,由于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、AD I收稿日期:2008-05-18修回日期:2008-06-22 公司、BB 公司和L inear 公司等生产了很多不同档次的集成化仪表放大器,使得利用其设计新型脑电图机放大电路,克服传统放大电路的缺

9、陷成为可能,为设计生物电放大器提供了充分的选择和便利条件。本文根据脑电信号的微弱特性和微弱信号处理要求,采用TI 公司的低功耗仪表放大器I N A3263设计了具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强脑电图机的放大电路,同时利用TI 公司的TI N A 仿真软件对其进行了仿真验证。2脑电图机放大电路原理由于脑电信号具有频率低、信号弱的特点,在对其进行有效地采集、处理、记录或显示之前,需使用脑电图机的放大电路把脑电信号放大到系统要求的大小后才可作为输入信号连接到A /D 转换器。如图1所示,整个脑电放大电路由前置差分放大电路、50Hz 工频陷波电路、高通滤波器、低通滤波器和

10、放大电路等部分构成。脑电信号经脑电电极传导到带右脚驱动功能的前置差分放大电路进行差分放大,接着通过引入50Hz 工频陷波电路对脑电信号进一步滤除50Hz 工频干扰,然后由高通滤波器消除极化电压产生的干扰;由于脑电信号频率的范围基本上都在40Hz 以内,需在此引入低通滤波器,以消除脑电信号以外的高频噪声,放大后的脑电信号输入到A /D 转换器进行数字化采样,然后传送给计算机进行处理、记录和显示。脑电的上述特点决定了其放大电路设计的关键在于从强大噪声背景中提取信号并进行高增益放大。即如果要采集到清晰准确的脑电信号,要求放大器必须具备高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等优质特性,这也是目前放大电路设计

11、的难点。 图1脑电图机放大电路原理框图3脑电放大电路的设计与仿真311前置差分放大电路如图2所示,前置差分放大器是设计整个脑电放大电路的关键环节。其主要作用是对脑电信号进行差分放大,同时抑制50Hz 共模信号的干扰;因此在本设计中采用了TI 公司的低功耗仪表放大器I N A326。I N A326是美国德州仪器公司推出的精密电源正负限输入/输出仪表放大器。它的主要特点是输入或输出接近电源电压,因此能够提高输入和输出的动态范围。其共模输入电压范围为:(V -20mV (V +100mV,典型非线性度误差仅为01004%,可保持良好的线图2前置差分放大电路性。I NA 326在1kHz 的条件下折

12、合到输入端(RTI 的最小噪声为33n V /Hz,比脑电信号低很多,符合脑电放大电路低噪声的要求。另外,整个放大电路的输入阻抗是由I N A326的输入阻抗决定的,而该芯片的输入阻抗高达10G,完全适合脑电信号高输出阻抗的特点。由于I N A326带有预调整电阻网络,因此无需提供精密匹配电阻就可以实现高共模抑制比,其C MRR 的典型值为114d B,可以有效的从50Hz 共模干扰中提取脑电信号,并且减少共模干扰转变为差模干扰。另外,I N A326的增益可通过与输入信号隔离的外部增益电阻来设置,而且工作性能稳定。系统采用精密放大器OP A735设计了强制性输出缓冲放大器,通过电阻器求和网络

13、建立公共检测点,用来驱动强制性输出缓冲放大器,该放大器补偿通过人体的电流,提高了系统抗干扰的能力4。现实环境中由于各种无线设备的广泛使用,如GS M 、W iFi 、B luet ooth 等,使得射频干扰(RF I 无处不在,这些射频干扰的频率往往是M 级甚至G 级,它们通过脑电导联线耦合到放大器输入端。在20kHz 以上的频率条件下即使最好仪表放大器也没有C MR 能力,当输入较强的RF 干扰时,仪表放大器可能将RF 干扰整流后表现为DC 输出失调误差,因为射频信号是断断续续的,所以该干扰在仪表输出端会表现为低频干扰信号,可能会出现无法被低通和高通电路滤除的情况。为了解决该问题,在仪表放大

14、器前设计了RF I 衰减滤波器,该滤波器需要完成三项工作:尽可能多地从输入端滤除RF 能量,保持输入端与地之间的AC 信号平衡,以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。图2中R 1、R 3、C 1、C 2、C 3组成了一个电桥电路的差分RF I 滤波器,该滤波器在-3d B 差分带宽计算公式为:1/2R 1(2C 2+C 1,其中C 2是C 1的10倍以上,可以将C 1和C 3不匹配造成的C MR 误差降低20d B 。前置放大电路对差模信号的放大倍数计算公式为式(1,这里R 9=100K 、R 4=5K 、R 5=5K,则放大倍数为20倍。A dm=2R9R4+

15、R5(1假设电路从人体表取得频率为10Hz、幅度为10V的差模信号,即信号发生器VG2,那么通过前置差分放大电路输出的仿真波形VM1如图3(b所示。根据仿真曲线我们计算出前置放大器放大倍数Ad m=(uV/10V=1919820。所以放大倍数的仿真结果与理论计算接近相等。图3(a是对频率为50Hz、幅度为1V的共模信号的仿真曲线,从图中可以看出前置放大器输出VM1为11186V,根据公式二计算得出仿真的共模抑制比为125d B。C M RR=20lg(2R8(R3+R4V inV ou t(2 图3前置差分放大电路仿真曲线从对前置差分放大电路的仿真结果可以看出,通过在前置差分电路中采用I N

16、A326,使得设计的放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声的特点,从而实现了对脑电信号的差分放大,同时有效地抑制了50Hz共模信号的干扰 。图4 陷波电路图5陷波器仿真曲线31250Hz工频陷波电路在脑电信号的提取过程中,脑电信号的幅值很低,而人体的工频干扰在一般情况下都比脑电信号要强得多,所以脑电信号一直都淹没在工频干扰和其它的一些干扰中。虽然前置差分放大电路对共模干扰进行了有效地抑制,但是部分工频干扰仍以差模信号方式进入电路,因此需设计50Hz工频陷波电路5来进一步滤除工频干扰(如图4。采用OP A735构成正反馈的有源双T带阻滤波器,式(3给出了由节点导纳方程求得其传递函数:A(S=

17、4sRC(1-1+4sRC(1-+(sRC2(3式中R=R1=R3,C=C3=C4,=R5/(R4+R5。该电路的Q值随着反馈系数的增大而增大,式(4给出了该电路中Q值与(01的关系:Q=14(1-(4值得注意的是,随着Q值的增高,电路将会出现不稳定甚至自激,因此一般将Q值选在几至几十的范围内。调节R4和R5可以改变Q值的大小,这里R4=470,R5=10k,=0196,Q=516。根据中心频率公式fo=12R1C3计算出该陷波器的中心频率为50101Hz,从陷波器的仿真曲线(图5可以得出陷波器的中心频率为50Hz,与理论计算结果一致,50Hz工频被衰减了37d B,高于行业标准中规定的衰减2

18、0d B的要求,40Hz以下信号基本衰减为0d B。仿真结果表明,陷波器具有良好的线性度,保证了陷波器对信号传输不失真,也反映了陷波器对工频具有较好的滤波作用,从而提高了放大电路抗干扰的能力。313滤波器电路和放大电路滤波器电路由一阶RC高通滤波器和四级有源低通滤波器6组成(如图6所示。一阶RC高通滤波器可以滤除极化电势产生的直流电位。四级有源低通滤波器截至频率设置fo=12R1C1=40167Hz,可以进一步滤除50Hz和高频干扰。 图6滤波器电路和放大电路A =R 3+R 4R 4R 8+R 9R 8R 11+R 12R 11(5根据滤波器电路和放大电路的放大公式(式五可以计算出该电路的放

19、大倍数为175倍,即44d B,这与仿真结果(图7基本一致 。4放大电路性能指标测试结果与分析性能指标是衡量脑电放大电路性能的重要指标。经测试该脑电放大器的性能指标如下:共模抑制比C MRR 不小于115d B;频率范围012Hz 40Hz;输入阻抗大于100M;时间常数大于1s;输入噪声电平小于1V p -p ;增益为70d B;工频滤波效率衰减不低于30d B 。与脑电放大电路的仿真结果相比,实际测量的C MRR 值比仿真结果(125d B 降低10d B,50Hz 工频衰减低于仿真值7d B,这主要是由于脑电放大电路中对称电阻和电容的不匹配现象以及脑电导联线的耦合现象等因素的存在,使得实测值略低于仿真值。尽管由于不可避免的因素的存在,使得所设计的脑电放大电路实测值与仿真值存在一定差别,但实际测得的C MRR 和工频抑制干扰能力仍远大于行业标准中所规定的性能指标(C MRR 为80d B;工频抑制干扰能力为20d B ,达到了高性能放大电路要具备高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、非线性度小、抗干扰能力强的设计要求。按照国际上广泛采用的10-206系统电极法采集脑电信号,脑电信号经设计的放大电路后,在计算机中通过数字滤波处理,获得了良好的EEG 波形(图8。5结语由于脑电信号非常微弱且常常淹没在强背景噪声中,所以