【简易生物电信号的模拟前端电路设计研究9800字（论文）】

简易生物电信号的模拟前端电路设计研究目录 1 1 2 4 2.1心脏简介 2.2心电图发展历程 2.3心电图原理 52.4心电图的各种波形组成 63脑电简介 83.1大脑简介 83.2脑电波发展史 93.3脑电波原理 3.4脑电波组成 4电路设计 4.1二级运算放大器 4.2微分差动放大器(DDA) 4.3仪表放大器 4.3.1传统仪表放大器 工432微分差动仪表放大器 4.4滤波器 441高通滤波器 4.4.2低通滤波器 4.4.3陷波滤波器 5仿真结果 35.1运算放大器OPA仿真结果 5.2微分放大器DDA仿真结果 5.3仪表放大器仿真结果 5.4高通滤波器仿真结果 5.5低通滤波器仿真结果 5.6陷波滤波器仿真结果 5.7整体电路仿真结果 6结论 1随着经济的发展，人们的工作压力越来越大，长期的加班熬夜让人们身体越来越差，久坐、缺乏运动、饮食不健康等现不及时，救护过程复杂等问题，越来越无法满足病疗模式应该是以“预防为主，治疗为辅”的新模式，但这身体健康有一个实时、准确的认识，以便于而且随着人们年龄增长，身体的复原能力也会大不如前。很多侵入式的检查虽然可以测量到精确的生理数据，但在安全上入式则反之。若能提升非侵入式检查准确度以及普及率但对于心脏等器官的检查，往往需要人们长时间在医院装备繁琐的仪极大地限制了人们的自由，加重了医院的负担，而且大多数人每日忙于工作，没有足够的时间定期去医院进行体检，也就无法真实的了解自己身体，了解自为了解决上述问题，满足人们对于自己健康状况稳定把控的需求，我们需要一个低成本，高精确，且更为轻便的，可放于家中甚至检查装置，通过人体各种不同的电信号，如心电、脑电等，外加心率、血压、体温等体征信息，让人们及时了解自己的身体健康状况2体健康出现的问题，随后及时进行调整和治疗。由于对于医学的不了解，我们只设计收集人体电信号的前端装置。该装置用于精确的感应、收集体征信息，传输到后台。之后由后台软件对这些信号进行分析，通过显示屏把结论反馈给使用者，还可以依靠网络上传身体信息给家属或者医院。。1.2生物电信号采集的发展历史生物电信号的历史可以追溯到古希腊时期，当时的人们使用电鳗来治疗癫痫，当病人癫痫发作时，人们会把电鳗链接到患者身上，很快患者就会安静下来，但当时的人们并不了解为什幺电鳗会有如此的效果，这也是最早期的电疗法，还用以治疗头痛和关节炎。到了公元1666年，意大利的FrancescoRedi首次提出了肌肉与电流相关的论述。1780年LuigiGalvani电激青蛙的神经与肌肉，青蛙肌肉表现出了收缩，再后来进一步发现，使用两种不同的金属材料去接触青蛙肌肉，青蛙肌肉也会有收缩的现象出现，这一现象就是生物电存在的证据。经过多年的反复试验研究，他在1791年提出“导致青蛙肌肉收缩的电来自动物体内”,为电生理学的创立提供的有力的依据，并且称之为“动物电”,后来人们证明Galvani发现的电流并非来自动物的体内，由此认识到了电是可以导致生物神经冲动的一种传导，奠定了电生理学的基础。而后意大利的一高中物理老师AlessandroVolta根据青蛙实验的解释，受到启发，发明了世界上第一块化电池。其解释说肌肉收缩是由于两种金属所导致的，双金属电流刺激神经肌肉从而导致了之前的实验结果。双方争论不休，但在当时没有必要的设备支持他们进一步的研究。知道1802年，Schweigger制造了世界上第一台检流器，1825年之后又被Leopoldo进行改良。CarloMatteucci才使用检流器通过多次试验证实了生物电流的确来自生物的肌肉。31.3生物电信号与测量电路简介在测量生理信号时需要注意和克服许多的困难。因为生理信号十分微弱，极易受到外界环境因素以及测量仪器的干扰，所以我们在设计电路时，要了解不同部位的生理信号特性。依照不同的要求设计不同的电路。需求增益(dB)频率范围心电图(ECG)脑电图(EEG)胃电图(EGG)肌电图(EMG)视网膜电图(ERG)本文选取心电图和脑电图为重要论述对象，由表可知心电图拥有较高的振幅和频率，而脑电图振幅仅有不足300μV,所需的增益也高于心电图。如果想用同一电路分别测量心电图和脑电图则需要同时兼顾到心电图的高频和脑电图的低频高增益。因为生物电信号十分微弱，首先需要对探测到的电信号进行放大，然后对这个放大的信号进行过滤，消除过高和过低的信号，最后消除供电局供电所产生的噪声。生物电信号信号测量电路架构主要分为三级如上图，第一级仪表放大器(IA)电路前置放大器，第二级再由二阶高通滤波器(HPF)和一阶低通滤波器(LPF)组成带通滤波器，第三级为陷波滤波器。由于我们主要研究心电图和脑电图，所以将高通滤波器的截止频率设置为0.01Hz,用来消除人体带电粒子所产生的噪声，低通滤波器截止频率设置为400Hz,用来消除我们不需要的多余的高频率，最后通过一个陷波滤波器来消除我国供电所50Hz交流电所产生的噪声。如此，输出端就可得到完整不失真的生物电信号。5心脏收缩对血液产生压力，将使得血液可以流经全身上下，每个器官。人类的心脏基本上和自己拳头一样大，重量大约为是250克作用，形状跟桃子极为相似，心尖偏向左侧。位于横膈的上面，在纵膈之间，胸腔中部偏左下的地在左右心房心室之间，都有间隔使其相互分离，而心房和的瓣膜(房室瓣),在这些瓣膜的功效下，使得血液只能自心房通过流入心室，在1872年成功采集并记录到了心脏波动的电信号。在随后的1885年，荷兰学毛细静电计可以使用，25年后，被改进成为了心电图记录的历史。1924年的诺贝尔医学生物其记录清晰、精准、抗干扰能力强、比之前的因为心肌细胞膜是一种半透膜，所以，处于静息状态下，阳离子就排列在6膜的外面，同时，也有阴离子排列在膜的内侧，因此膜外电位高于膜内，我们称之为心脏的极化状态。在静息状态下，由于心脏的在极化的状态，所以并没有产生任何电位差，此时的电流曲线会呈现出平直状，这也就是体表心电图的等电位线。心肌细胞膜通透性会在遭受到一定强度的刺激时发生改变，这会让阳离子在很短的时间里大量的穿过心肌膜进入心肌细胞，使得膜内的电位从负变为了膜内电位由正变为负，这也就使心肌细胞恢复到了最开始的是由心外膜向心内膜进行的，我们称之为复极。同样的，因为心肌细胞复极过程中所产生的电位变化，再由电流记录仪描记出，我们是，体表心电图不易发现、辨认，这是因为，在心房的复极波比较低，并且被健康的心脏，会由窦房结出现电激动。这个激动最先会传送至右心房，再随后透过房间束传送至左心房，这是因为起始位置在右心房跟上腔静脉之间，因此PR间期期也称为房室传导时间。通常，正常的PR间期在0.120.20秒左右。有时出7现PR间期的时限变久甚至在P波后的心室波无法检测的情况。这是因为心房QRS波群指心室肌除极之后，复极还未开始的那段时期。这段时该是在等电位线上的。但有些时候，心室除极完同的影响，波形极易发生变化。如高血钾或者急性心肌梗死等情况下会显在一部分导联里，T波后会发现U波，在专家们猜测U波与心室复极相关联。8是心室除极复极所需的期限。正常QT间期约为0.44秒。QT间期的延长往往脑半球。同时，人类的大脑不但是中枢神经里面最大的构，还是最高部位，也是调节机体功能的器官。大脑半球被了五叶：他们分别被叫做了颞、额、枕、顶和岛，这也是灰质是组成大脑半球的表层的主要物质，而深层质内含有大量的神经纤维和核团，其中在脑底部部分，拥有并且排列着四对核团，学者们把它们称之为基底神经节(也被叫做基底神经核),还为他们分别起了名字，他们分别被叫做了杏仁、豆状、尾状和屏状。这其中，尾状核与豆状核又被称为了纹状体。纹状体被毁坏的话会导致舞蹈病，主要表现为肌肉张力还可能会产生震颤麻痹，出现全身肌紧张，或者运动也会变慢等情况。半球内的白质分别有各种各样的不同的走向的，比如连合起来左、右两半球的纤维，还要连接同侧半球的纤维，还有一些联系大脑皮质和脑干，甚至有脊髓的上下行纤维，后者都要经过内囊，在脑的水平切面上。大脑的各部分都通过相对应大脑半球内部有个腔隙被称之为侧脑室，在这里面里面充斥着脑脊液。在大脑皮质上，不同的位置对应着人体不同的功能，比如感觉区、运动区等，这些不9同的功能区在大脑皮质上都有对应位置，这些不同的区域不同的位置分控制这部分的中枢位于偏于皮质左侧的，被称为优势半受损，那将产生与语言有关的病患或者缺陷，而且不同的中枢受损会引起不同的病症情况。比如运动性语言中枢受损，则会患运动性失语症，虽然与发音有关的肌肉十分正常并未瘫痪，但患者却不能说话。如果是视运动性语言中枢受损则会患失写症，即使是手部及其他运动功能都健全不能做书写绘画等精细的运动。那么倘若听性的功效，比如对于空间、方向等的识别，还要深度知觉、触觉、听到欣赏音乐等等。相较来说，人类大脑左侧半球会在语言方面上更强他的方面更加厉害。专家学者们通过许久的探索，得出了结论，大脑两半球的3.2脑电波发展史分析后创作了《脑灰质电现象的研究》,但这文章在当时并未引起广泛关注。时隔15年，A.Beck通过探索分析发表了一篇与脑电波有关的文章，从此以后发现其身上会产生电气，推导出人体也存在类似现3.3脑电波原理大量的神经元组成了人体大脑，神经元时间活动产人体思维活动反映出来，人体大脑可以接收种信号的能量累积超过阈值就会出现脑电波。人们为确定性效果低，在非线性研究方面存在不足，识别效果不根据科学家们的相关研究可以发现，人体大脑在工作动，利用专门的脑电记录仪可以将活动过程中产生们关于脑电波的研究来看，主要分为以下4各波段。脑电波是自发形成的神经性活动，存在节律性的显为1-30次/秒，我们可将其划分成以下4个波段，第一波段为：δ(1-3Hz);第二波段为：θ(4-7Hz);第三波段为：α(8-13Hz);第四波段为：β 其频率范围在1~3Hz之间，波幅在20~200μV之间。人体在麻醉状态、昏迷或11者是非常疲惫的情况下，在大脑的顶叶以及颞叶中可以观察到这种类型的脑波。其频率范围在4~7Hz之间，波幅在5~20μV之间。人体在少年时期容易出现这种类型的脑波。成年人则在产生精神疾病或抑郁时会产生这种类型的脑波。其频率范围在8~13Hz之间，波幅在20~100μV之间。正常人体会产生这种类型的脑波，在未受到外界刺激的情况下，这种脑波比较稳定。在人体清醒安静的情况下这种脑波存在节律性特征，如果眼睛睁开在光线的刺激下，这种脑波 (α波)就会消失。其频率范围在14~30Hz之间，波幅在100~150μV之间。人体情绪激动或者精神高度紧张时，会产生这种类型的脑波。比如说：做噩梦突然醒来，这种脑波随之产生。人体在精心思考或者心情愉悦时，处于兴奋状态的θ波、δ波以及β波会逐渐削弱，而α波则得以增强。由于该类型脑波和人体右脑的脑电生物节律非常接近，这是人体灵感的重要源泉。M₅M₆,R₆,M₉—M₁4作为偏压电路为此放大器提供偏压电流，M₁—M₄为输由图1可得得代入方程(4.2)可得和由方程可知8m₄是由决定的，不受VDD和μCax影响，并且可以和通过调整R₆的大小来控制偏压电流。第一级信号分析R₀=r₀₆//r₇联立方程(4.7)得4.2微分差动放大器(DDA)本文使用了一个共模前馈电路来提高此微分差动放大器的共模抑制比。其第一级由M₃、M₄组成差动输入第一级增益为第二级为M₇-M₁₀组成的电流镜，按照MOS作为负载将电流转换为电压。宽度比例放大电流再用M₁₁、M₁₂第二级增益为第三级增益为A₃=-Gm₃R₃进行共模分析M₇-M₁是匹配的电流镜M₁、M₁₂为主动负载，提供的阻值分别为、I₀12,可计算出V₁,V₂第三级差动对M¹3,M₁的输入为v₁,V₂可计算出共模增益为如下方程式(4.18)同时，在输入端和第一级输出端之间加入了一个共模前馈电路，如图4.4所示，深色为第一级电路，浅色为计入的共模前馈电路。图4.4共模前馈(CMFF)电路其原理为，由共模前馈电路前馈一个反向共模信号(-8ccm)和第一级输出的共模信号(8cVcm)抵消来降低共模增益，进而提升整体的共模抑制比，理论上可以完全抵消共模信号，是的输出仅剩差模信号，共模抑制比可得无限大。但在现实中因为粒子漂移和电路的其他影响，无法将共模信号完全抵消，但还是可以有效的提升共模抑制比。共模前馈电路如下图4.5。当信号进来时若M¹8,M¹9相匹配，则若M₂0-M₂₃相匹配，则理论上若8m=8m₃=8m₄则可完全抵消共模信号使得共模抑制比无限大，但现实中无法达到理论值，而且为了在提高共模抑制比的同时提高功率，我们只M7M7M9M1M₂2M图4.6使用共模前馈提高共模抑制比的微分差动放大器共模分析如下若M₇、M₉相匹配，M₈M₁0相匹配则in=im₁o=im₇,8=vm(-8m3M₁、M₁₂作为负载，阻值分别为、F₀12,可计算出v₁、V₂v₁、V₂为第三级差动对M₁、M₁₂的输入可计算出共模增益(Acm)方程如式(4.29)共模抑制比可看出差模增益固定不变时共模增益下降可使共模抑制比上升。将电路修改后方程与修改前比较后可发现，修改后的8m₃.4变为仪表放大器是本生物电信号模拟前端电路中最关键下图4.7为传统的由三个OPA组成的仪表放大器，可以改善二级差动放大因为运算放大器输入点为虚短路，流过R₁的电流I₁可表示为VoA₁、VoA2分别可表示为OPA3与R₃、R、R₆、R₇组成一个差动放大器的结构，输入为Vo₁与Vo₂带入I可得并整理方程(4.32)可得转移函数T(s)为设阻抗匹配R₂=R₅、R₃=R₆、R₄=R₇4.3.2微分差动仪表放大器阻没有匹配则整体共模抑制比将大幅降低，不满足我们对于高共模抑制比的要求，所以本文使用下面的微分差动仪表放大器来保证高共模抑制比。见图4.8.微分差动放大器的理想特性V-Vpm=Vm-Vm若Vn接地为0V则上图的微分差动仪表放大器可表示为微分差动仪表放大器整体的共模抑制比由放大器本身的共模抑制比决定，受到其他影响幅度较小，且可通过电路布局技巧来减少或避免。且比传统的OPA放大器功率消耗小。4.4滤波器一般信号通常都会用到滤波器来收集特定频率信号，并过滤掉不要噪声。本文使用高通滤波器和低通滤波器保留了10mHz—400Hz信号，并使用陷波滤波器来祛除供电局50Hz噪声。4.4.1高通滤波器高通滤波器滤除截止频率以下的频率，降低来自于人体带电粒子和设备电路的停带通带频率fc可由上图推导出转移函数T(s)如下同时可以推导出二阶高通滤波器的截止频率w₀和品质因子Q的值4.4.2低通滤波器低通滤波器的主要作用是去除高频率的不需要的信号，R2R2VnR1由上图推导出转移函数T(s)、截止频率和可依照需求设计出电容电阻。4.4.3陷波滤波器陷波滤波器针对祛除我国供电局产生的50Hz噪声，让波形更为准确，减少电压的影响。fifnfh通带十C图4.14陷波滤波器由图4.14推导出转移函数T(s)、截止频率和增益分别如下5.1运算放大器OPA仿真结果UGB=564kHz),蓝线为Phasemargin(PM=60°)。图5.2为运算放大器的共模抑制比，棕线为差模增益，蓝线为共模增益，由仿真结果可知红线的共模抑制比为110dB。0i表5.1为二阶运算放大器仿真结果，各参数均符合预期结果，且功耗仅1.07表5.1二阶运算放大器的规格UGB带宽5.2微分放大器DDA仿真结果下图5.4为微分差动发达器频率响应图，其棕线为增益曲线(gain=80dB,UGB=64.3kHz),蓝线为Phasemargin(PM图5.4DDA频率响应图下图5.5为微分差动放大器的共模抑制比，棕线为差模增益，蓝线为共模增益，由仿真结果可知红线共模抑制比最高为216dB,400Hz时为133dB。图5.6为微分差动放大器的电源抑制比，由仿真结果可知红线电源抑制比最高为98.2dB,400Hz时为59.6dB。表5.2微分差动放大器规格图5.8为仪表放大器架构，经由章节4.3.2推导设计出R₁=500Ω、图5.8仪表放大器框架图5.9为仪表放大器的频率响应图，可看到棕线其增益值为48.2dB,UGB为53.5kHz,蓝线PM为81.3°图5.9仪表放大器频率响应图400Hz时为133dB。0图5.10仪表放大器的共模抑制比图5.11仪表放大器的电源抑制比图5.12为高通滤波器架构，经由章节4.4.1推导设计出R₃=33KΩ、2R4Vi2图5.14为低通滤波器架构，经由章节4.4.2推导设计出R₅=3.9KΩ、图5.15为低通滤波器的频率响应图，可看出其截止频率为396Hz,增益值为38dB,符合原先的设计。图5.15低通滤波器的频率响应图图5.16为陷波滤波器架构，经由章节4.4.3推导设计出R₇=R₈=265KΩ、R₉=132KΩ、C₄=20nF、C₅=C₆=10nF,而OPA3则使用章节4.1所设计的Rg图5.17为陷波滤波器的频率响应图，可看出在62Hz时有-24.8dB的增益。5.7整体电路仿真结果下图5.18为整体电路的频率响应图，可看到所需频率内最高增益为66.4dB,且在60Hz处有陷波滤波器造成的衰减。下图5.19为整体电路的共模抑制比，可看到共模抑制比最大值为172dB,而在400Hz的时候为133dB。下图5.20为整体电路的电源抑制比。可看到电源抑制比最大值为113dB,而在400Hz的时候为59.8dB。下图5.21为整体电路的参考输入噪声。可看到400Hz时噪声为326nVI√下表