便携式脑电放大器设计报告

医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授1便携式脑电放大器设计报告天津大学精仪学院（300072）王慧泉3004202330一、项目的任务与要求设计题目：脑电放大器（电池供电）任务与要求：把头皮表面脑电信号放大到伏的量级上，通过前级放大电路和后级放大电路，把信号放大10000~50000倍左右。二、设计目的人的脑电信号（EEG）是大脑皮层的神经元细胞所产生的电流总和在穿过头颅到达头皮后，所引起的头皮不同部位有不同的电位水平。人自发的EEG在清醒状态下常常含有节律性的电位变化。成年人清醒安静状态下的正常EEG通常包括多种不同频率的波。头皮表面的EEG信号范围为1～100μV。频率范围0.5～100Hz，皮质电位约为1mV。在静息状态下脑电所包含的频率可分为下述5类：δ（Delta波）：0.5～4Hz，深度睡眠状态θ（Theta波）：4～8Hz，梦境状态α（Alpha波）：8～13Hz，催眠、冥想状态β（Beta波）：13～22Hz，清醒或激动状态γ：22~30Hz及更高频率。重点放大α波和β波，通过观测脑电波基本节律实现对身体状态检测和进一步实现通过意识控制身边装置；其中α波作为一种自发脑电，与视觉皮层的闲散节律相对应，多在清醒闭目时出现；睁医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授2眼、思考问题，或接受其它刺激时，α波消失，转而出现快波；如果又安静闭目，则α波又重新出现，这一现象称为α波的阻断现象。通过观测α波的阻断现象，可通过脑-机接口进一步实现对装置的快速控制。三、系统概述１、脑电检测的频带选择α节律是一种规律的频率为8～13Hz，波幅10～100uV的正弦形节律。这是脑电图的基本节律，主要出现在大脑球后半部，特别是在枕部的描记中，安静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象，呈纺锤形或梭形。当睁眼或思考问题时，α节律可抑制。β节律是指频率为14～30Hz，波幅在5～20uV之间的一种低波幅电活动，在前头部最多见。当β活动占优势时，其波幅可达50uV。β活动属于快活动（频率高于a节律的活动称快活动）。当被检者思考问题，或有明显焦虑、抑郁，或使用镇静药物时，β活动明显增多，β活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现。适量的β波，对积极的注意力提升，以及认知行为的发展有著关键性的助益。故选择截止频率为0.5Hz的无源高通滤波器，用以滤极化电流，30Hz的有源二阶低通滤波器和带宽为8～13Hz及14～30Hz的有源窄带通滤波器。２、干扰的抑制1)电极噪声：由于电极极化产生的噪声，对此干扰采用银—氯化银电极，是一种不易极化的电极，极化电压仅数毫伏；2)无线电波及高频设备的干扰：将系统装入金属盒，外部信号传输使用屏蔽线；3)被测生理变量以外的人体电现象所引起的噪声：利用差分结构和医用放大器提高系统得共模抑制能力（干扰一般表现为共模电压信号）4)50Hz的工频干扰：幅度相对于脑电信号来说很大，可达到EEG信号幅度的1～3个数量级，尽管已有30Hz的低通滤波器，但对于工频部分衰减不够，可能会出现输出信号两个峰值的情况，故应考虑设计高阶低通或陷波器将其去除。医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授3３、系统模块设计四、单元电路设计与分析一般脑电机的技术指标为：输入阻抗大于10MΩ；共模抑制比大于80dB（即共模抑制比大于10000:1）；频带宽度0～150Hz；系统噪声小于3μV；前置放大级的电源纹波电压小于0.5mV。1、前级放大电路芯片选用：选用max4194作为核心元件，最低工作电压为2.7V，最小功耗470mW，具有轨—轨的特性，输出幅度可接近电源电压。因为前置放大器的增益大一些对抑制放大器件本身噪声有前级放大低通滤波后级放大带通电路脑电信号显示脑-机接口二次放大医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授4利，根据Ag=1+50K/Rg.，欲使增益为100，计算得Rg=510，根据实际可将Rg＝510,则实际放大为99倍，增益误差为1%；G=1000时CMRR典型值为115dB，3dB带宽为0.147KHz，大于设计要求。备选方案：选用AD623，最小供电电压为2.5V，最小功耗650mW。具有轨—轨的特性，输出幅度可接近电源电压。根据Ag=1+100K/Rg，欲使增益为100，计算得Rg=1K，根据实际可取值为Rg=1K，则实际放大为101倍，增益误差为1%；G=1000时，CMRR最小值是105,3dB带宽为2KHz，大于设计要求。前级并联放大器及跟随器选用低功耗精密放大器max414，采用CMOS技术制造。最低工作电压为2.4V，功耗30mW。输入电压应在比负电源高1.5V，比正电源低1.5V。输出电压范围（2K负载）在比负电源高1.3V和比正电源低1.4V之间。备选方案：由于max414输入阻抗只有2K，跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能不能达到设计要求。因此前级跟随器可选用放大器LM324，输入阻抗2M，工作电压为±1.5Vto±15V。采用跟随器设计，提高输入阻抗。因此前级放大器共放大100倍。噪声分析：芯片噪声：max4194：失调电压2.0μV/℃，G=100，f=10Hz时噪声密度=32nV/Hz；AD623：失调电压200μV/oC失调电流2μV/oC，G=1000f=1kHz时输入噪声密度=35nV/Hz，输出噪声密度=50nV/Hz；max414：其特点是低噪声，f=１KHz时噪声密度2.4nV/Hz，增益带宽积28MHz，单位增益稳定，压摆率4.5V/μS，失调电压250μV，静态电流2.5mA。通过计算运放噪声小于设计要求噪声，符合要求。Lm324：失调电压典型7μV/oC，失调电流典型10μV/oC，偏置电压最大7mV，偏置电流最大2nA，f=100KHz时带宽1.3MHz；输入１KHz时，噪声密度为40nV/Hz，电阻噪声：电路中噪声影响最大的电阻就是并联的R3、R4，阻值为1M；噪声电压的均方值为：kTBRVn42，其中k=1.372*10-23J/K,T=293K，医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授5B=150Hz，R=500K1M，计算得输入导线上50K1M电阻在30Hz内的热噪声最大为0.0785μV，R3、R4总共引入噪声为11.0785.0785.022μV，其他电阻带入系统热噪声远小于此值，可以近似忽略，0.11μV3μV符合设计要求。其他设计设计要求在输入出现5000V高压时不会损坏电路，两个二极管可以选用低漏电的微型二极管IN4148，其最大允许通过电流为100mA，R=50KΩ，从而这样输入端可以承受高达5000V的高压而不被破坏后级电路。无源高通截至频率为0.5Hz，计算取值R3=R4=100K，C=4.7μF，符合要求，主要用于滤出直流偏置电流；采用共模驱动电路，提高共模抑制比；提取共模信号的电阻不可取的过大，否则会影响仪用放大器的信号输入；电源两侧并联一大电容一小电容，目的是滤除高频干扰和低频干扰。2、低通滤波器截至频率为30Hz的有源二阶低通滤波器设计要求：截至频率30Hz参数选择：由归一化得参数如图所示电路说明：选用六阶低通滤波主要是考虑一方面对30Hz的滤波效果好一些，另一方面要通过此低通对50Hz工频进行有效的抑制，从而省去50Hz陷波环节，避免因陷波中心不准而造成的无法有效抑制工频干扰的后果，电路模拟如下图：医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授6可见在50Hz处衰减已经到达26dB，即如果有1mV的工频信号将通过低通衰减到47μV,已经满足设计要求。３、后级放大电路设计要求：放大倍数：10倍；由于信号在通过此部分时量级在100uV~10m之间，固定电阻噪声相对可变电阻的小，因此不设计成可调增益，为了达到低功耗要求，电阻取值如图，因此要在正输入端放置100K电阻，减少偏置电流影响，阻值应为R1、R2的并联；输入端加入滤波电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。参数选择：其中低通截止频率为30Hz。４、带通滤波器设计要求：可调中心频率和带宽的带通电路，用于分别捕捉α波（8~13Hz）β波（13~22Hz）。BW=8.3Hz~13.8Hz医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授7计算公式：对任意带宽RWx的响应可计算如下：231log10dBBWBWxdB其中BW3dB=Fo/Q电路计算公式：已知Fo、Q、wCFQR01212212QRR132RR如图参数选择得8~12Hz时Fo=10Hz、BW3dB=4Hz、Q=2.5、R1=39.8K、R2=3.46、R3=79.6、C=1ｕＦ可以用Ｒ２调节、Q，各参数互相影响很小。芯片选用：其中，滤波部分和后级放大电路的芯片均选用LM324，其可工作在2.5V的单电源或1.25V的双电源。功耗500mW，其偏置电压最大7mV，偏置电流最大2nA，f=100KHz时带宽1.3MHz；输入１KHz时，噪声密度为40nV/Hz，由于脑电信号已经过前级放大2500倍，信号基本已到mV量级，因此LM324参数符合要求。备选方案，可采用max291系列芯片，其可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤波器，具有高精度频率和高Q值。PDIP封装，易于实验。５、二次放大医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授8此设计是为使系统总增益可为20000，可以调节，防止放大过大溢出和过小不便观察。加入滤波电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。6、电池供电电路采用四节1.5V干电池供电，如下电路。在电源输出两极加入滤波电容，减小电源纹波。电源稳压可采用低压降稳压块LP2985。可加入低压降稳压块LM2940，高负载时压降为40mV，输出电流可达1.25A，典型值压降为350mV输出电流为1Ａ，静态电流为２４０μＡ。电路连接如上图所示。四、小结1、脑点信号微弱很容易被干扰，减小噪声和抑制干扰很重要。尽量的缩短各个模块的连接线，减小带入系统的工频干扰和其他干扰；导联线放置紧贴电路板，分别从电路板上下通过；医用电子学课程设计报告王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授9选用屏蔽盒和屏蔽线；设置头皮电阻检测电路，测量电极是否接触良好。测试中可能存在的干扰(包括眼电、肌电信号和周围环境的变化)，一般容易出现的八种情况:磨牙、点头转头、打哈欠、眨眼、抬眉毛转眼球、移动数据采集线、附近有东西掉在地上、说话等。在测量时应注意这些干扰带来的影响。2、上述设计只达到了脑电放大器的最基本的要求，作为一个完整的便携式脑电机还需要头皮电阻测量电路，增益控制，记录与分析、显示和存储部分等，所以上述设计还很不完善。3、脑电机头皮测量电路是脑电图机组成的必要部分，电极与头皮接触的好坏影响着电极接触电阻的大小，电极与皮肤的电阻越小，得到的波形质量就越高越稳定。一般头皮电阻在20千欧（KΩ）符合要求，少于5KΩ更好，若电阻值过大容易产生干扰或造成波形失真。一般的头皮阻抗测量电路为：其可行性还需要在实验中验证。3、在滤波环节采取是模拟的方式，效果不如数字的好，要是想达到真正的便携和利用α波的阻断现象由人脑发出开信号，完成身边设备的控制，对于其稳定性和抗干扰性有很高的要求，一定要将本系统数字化。关于后级的A/D转换及数字信号处理部分，其核心器件可选择ADI公司的Σ一A型AD7708芯片。它是ADI公司的一种多信道16位ADC，支持4或5信道全差分输入以及8或10信道伪差分输入。主要由1个输入多路复用器、2个缓冲器、1个PGA、Σ一AADC、串行接口控制逻辑及片上锁相环组成。具有(1)高精度，(2)可选择测量范围，(3)低功耗，(4)体积小，等特点，适于设计要求。并且可在实