張展召 于毅

【摘 要】本文根據(jù)腦電信號(hào)微弱，幅值小，噪聲干擾大等條件，設(shè)計(jì)了一種能將腦電信號(hào)放大5000—50000倍的增益可調(diào)電路。為了消除干擾，抑制噪聲，保證測(cè)量的正確性，設(shè)計(jì)了EEG高通濾波器、EEG低通濾波器和EEG帶通濾波器。

【關(guān)鍵詞】同相并聯(lián)放大器；EEG高通濾波器；EEG四階巴特沃斯低通濾波器；EEG50HZ工頻濾波器

1.前言

腦電信號(hào)是反映大腦神經(jīng)活動(dòng)的生物電信號(hào)，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)可用于神經(jīng)診斷和認(rèn)知生理心理學(xué)研究，以及康復(fù)領(lǐng)域?，F(xiàn)已明確，在頭皮上引導(dǎo)的腦電波振幅，在正常情況下，峰峰值范圍為5～200?V，頻率范圍為0.5～100Hz，波形因腦部位置不同而不同，且存在很大的個(gè)體差異。因此腦電信號(hào)放大和采集仍比較困難。而腦電信號(hào)放大實(shí)現(xiàn)的主要困難是不能在高增益放大的同時(shí)去除各種干擾。

2.電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)放大和處理電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。腦電放大是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，腦電信號(hào)屬于低頻的微弱信號(hào)，在進(jìn)行處理前，必須把腦電信號(hào)放大到系統(tǒng)要求的大小。為了消除極化電壓產(chǎn)生的干擾，設(shè)計(jì)了高通濾波器，截止頻率為0.5HZ。由于腦電信號(hào)頻率的范圍基本上都在40HZ以內(nèi)，所以設(shè)計(jì)了低通濾波器。為了消除腦電信號(hào)以外的高頻噪聲，設(shè)計(jì)了50HZ工頻濾波器。

圖1 信號(hào)放大與處理電路結(jié)構(gòu)圖

3.放大電路設(shè)計(jì)

3.1 前置放大器的設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)具有不穩(wěn)定性、非線性和隨機(jī)性的特征，屬于微弱生物電信號(hào)，具有強(qiáng)干擾的背景，輸入信噪比可達(dá)1：105。因此，只有抑制噪聲，才能檢測(cè)到腦電信號(hào)。由于腦電信號(hào)太微弱，幅值范圍為10uV到100uV，共模干擾會(huì)對(duì)腦電信號(hào)的檢測(cè)造成嚴(yán)重的影響，因此要求腦電放大電路具有較高的共模抑制比，一般應(yīng)在120dB以上。其次，腦電電極比心電電極小得多，所以它具有較強(qiáng)的信號(hào)源阻抗，要求其具有更高的輸入阻抗，其值應(yīng)大于10MQ。前置放大電路常采用差動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，為最大限度地提高輸入阻抗及共模抑制比，目前生物電放大器前置級(jí)電路普遍采用的是同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置級(jí)放大電路。這種結(jié)構(gòu)的電路由3個(gè)基本運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中2個(gè)組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，以提高放大器的輸入阻抗，另一個(gè)為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)，其共模抑制比取決于第一級(jí)放大電路中2個(gè)運(yùn)放共模抑制比的對(duì)稱程度、差動(dòng)放大器的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度等。

圖2 前置放大電

圖3 二級(jí)放大電路

圖4 三級(jí)放大電路

3.2 第二級(jí)放大器的設(shè)計(jì)

為了獲得與輸入腦電信號(hào)相同極性的輸出，滿足高輸入阻抗的要求，使用同相輸入放大器作為第二級(jí)放大器。根據(jù)公式Avf=1+Rf/R1，取Rl=1KΩ，R=51KΩ，R=3.5MΩ，電路原理如圖3所示。

3.3 第三級(jí)放大器的設(shè)計(jì)

在第三級(jí)放大電路中，通過(guò)變阻器調(diào)節(jié)增益，放大器芯片使用AD620。

4.濾波電路設(shè)計(jì)

4.1 EEG高通濾波器

將無(wú)源RC高通濾波作為EEG高通濾波器，放在前置放大器與第二級(jí)放大器之間，用于隔離來(lái)自電極的極化電壓，消除其干擾，截止頻率為0.5HZ。

4.2 EEG低通濾波器

將EEG低通濾波器放在第二級(jí)放大電路之后，消除高頻噪聲。將巴特沃斯濾波器作為EEG低通濾波器。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，濾波器的截止頻率為40Hz左右，在160Hz頻率處的放大系數(shù)小于等于148dB，根據(jù)濾波階數(shù)公式得出n=4，需要兩階濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)生成轉(zhuǎn)移函數(shù)。

圖5 低通濾波器

圖6 EEG工頻濾波器

4.3 EEG 50HZ工頻濾波器

在腦電信號(hào)的提取過(guò)程中，腦電信號(hào)微弱，而人體的工頻干擾比腦電信號(hào)要強(qiáng)，因此工頻干擾淹沒(méi)了腦電信號(hào)。為了有效地提取腦電信號(hào)，將50Hz工頻濾波器放在低頻濾波器和第三級(jí)放大之間，以去除腦電信號(hào)中混雜的工頻。采用50Hz工頻濾波器，對(duì)腦電信號(hào)的頻率影響不大，但要求工頻濾波器有較高的品質(zhì)因素。

5.結(jié)論

本電路應(yīng)用于腦電信號(hào)檢測(cè)時(shí)，能夠滿足測(cè)量要求。實(shí)測(cè)指標(biāo)：增益5100，CMRR>120dB，通帶0.5Hz-40Hz，輸入阻抗1OOMΩ，系統(tǒng)噪聲O.1uV。由于待測(cè)信號(hào)微弱，測(cè)量中除低頻干擾外，還有高頻干擾，因此在屏蔽室中進(jìn)行測(cè)量效果更佳。

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