脑电信号检测

脑电信号检测设计与测试报告——交流供电设计部分：一、脑电概述与设计意义脑电信号是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，是一种重要的生物电信号。在进行大脑疾病诊断的过程中需要对脑电信号进行记录，以提供临床数据和诊断的依据。因此脑电信号采集系统具有非常重要的临床意义。脑电图（EEG）是反映大脑的电活动，它是用放在头皮表面的电极检测并经方大的与大脑神经活动有关的生物电位。头皮表面的EEG信号范围为1～100μV（峰－峰），频率范围0.5～100HZ，头质电位约1mV。而在头皮表面测量的脑干信号的峰－峰值却不大于0.25μV，频率在100～3000HZ之间。显然，脑电图的特征与大脑皮质的活动程度有很大的关系，如脑电在觉醒和睡眠状态有明显的变化；通常脑电图是不规则的，但在异常场合却会表现出特殊的形式，如癫痫脑电表现有特异的棘波。依年龄不同其基本波的频率也不同，如3岁以下小儿以δ波为主，3-6岁以θ波为主，随年龄增长，α波逐渐增多，到成年人时以α波为主，但年龄之间无明确的严格界限，如有的儿童4、5岁枕部α波已很明显。正常成年人在清醒、安静、闭眼时，脑波的基本节律是枕部α波为主，其他部位则是以α波间有少量慢波为主。判断脑波是否正常，主要是根据其年龄，对脑波的频率、波幅、两侧的对称性以及慢波的数量、部位、出现方式及有无病理波等进行分析。二、总体设计脑电信号频率范围：DC～100HZ；诊断得主要成分在0.5～100HZ范围正常信号范围：15～100μV因为脑电正常信号范围：15～100μv，要放大到v的量级上，应放大10000～50000，取其中，放大10000倍，放大后0.45～3v。分配至流程图中：前置放大器：500倍；后置放大器：20倍。（原本放大30000倍，但是信号幅度太大，示波器显示截止，故缩小放大倍数为10000倍）。输入级特性：低输入噪声（≦3μvP－P）；高增益（104～5×104）；高共模抑制比（KCMR≧80dB）；低漂移和高输入阻抗（≧10MΩ）；还有低频交流耦合工作（1HZ或更低）等。脑电信号检测中噪声及其抑制方法的探讨：首先是电极噪声，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，而选用的前置仪用放大器AD620输入失调电压仅为50μV，再加上对共模信号有较好的抑制作用只有各输入端的极化电压的不对称部分才会放大电路产生不利影响（使放大器进入非线性区），所以前置放大器的增益可以做到尽量大。同时我们还应考虑到前置放大对整个放大电路的噪声贡献，放大器噪声一般随第一级增益的提高而明显变差，又考虑到提高放大器的增益有利于提高共模抑制比，综合各种有利和不利因素，最终确定前置放大器的增益为100倍。高通滤波电路的设计：由于人体存在极化电位，这些电信号是直流信号，因此需要设计一个高通滤波器将这些直流滤除，电路采取RC有源二阶。对环境中的高频信号，主要采取低通滤波的方法，用截止频率为60Hz的二阶巴特沃兹滤波电路进行滤波，同时还可以对心电和肌电干扰进行有效的衰减。对50Hz电场干扰的抑制主要采取在电路中加一级50Hz陷波电路来实现，此外隔离放大器和高共模抑制比的前置放大电路也在一定程度上对50Hz电场和泄露电流干扰也起到了抑制作用。由于在芯片的选用过程中注意到都选用低噪声的芯片，尤其是前级放大电路，选用AD620，因此也可以最大限度地抑制电子器件的噪声。电路结构大体设计为前置放大电路，高通滤波，隔离放大，低通滤波及陷波电路，后置放大电路。具体框图如下：三、单元电路设计：前置放大器：选用低噪声的集成仪器放大器AD620作为放大器的核心元件。（MAX4194商店没有卖）。AD620，根据增益计算公式AG＝1＋50KΩ/RG可得RG＝100.2Ω，取RG＝100Ω。增益误差为0.2％。保护电路要求在输入出现5000v高压时不会损坏电路，二极管D选用低漏电的微型二极管1N4148，其最大允许通过的瞬时电流为100mA，因此，极限保护电阻R1＝R2＝50KΩ。无源低通滤波器的截至频率为100HZ，由此可以计算得到C1＝C2＝（2ΠfR）-1＝0.0318μv。考虑到存在电极与人体接触阻抗等信号源内阻和电容取系列值等因素，实际取C1＝C2＝0.033μv。光电隔离电路与高通滤波器：提高系统的抗干扰性能、安全性能和可靠性，使前级放大器和后级放大器没有电的联系，而是通过光或磁来耦合信号。其中R2＝R3＝1KΩ，C1＝0.22μF，为了减小信号漂移，在光电耦合后面，用C1组建乐一个无源高通滤波器，再接葛跟随器。R1＝1/2ΠfC1，其中f＝0.5HZ，得R1＝910KΩ。低通滤波器：根据实验，2阶低通滤波效果不理想，于是改成6阶。根据归一化算其参数：截止频率f＝100HZ，电阻都选用10KΩ，C1＝0.15μF，C2＝0.15μF，C3＝0.1μF，C4＝0.22μF，C5＝0.047μF，C6＝0.56μF。后置放大器：为了达到10000倍放大，后面加一个增益为20的负反馈放大器，取R1＝10KΩ，R2＝200KΩ。陷波器：50HZ陷波器可以采用上图所示正反馈的有源双T带阻滤波器，改电路的Q值随着反馈系数的增高而增大，式给出了电路中Q值与（0β1）的关系。但是，随着β的增高，电路将会出现不稳定甚至自激，因此一般将Q值选在十至几十的范围内。图中Rw是10k电位器，调节Rw可以改变Q值大小。C的电容值由表选取，然后用式计算R的阻值。陷波器的中心频率f＝50HZ，根据电容值初选参照表取C＝0.1μF，根据R＝（2ΠfC）-1得R＝30KΩ。Rw是10K的电位器。交流直流转换：用变压器先把220V转换成12V，通过“桥式整流”（4支二极管）把交流电转换成直流。再用4支电解电容来滤波，这样可以消除交流噪声。测试部分：一前置放大部分（1）静态工作点将放大器两输入端对地短路，测量输出电压V=10.9mV（2）输入噪声按(1)测出电压，计算输入噪声Vin==0.094mV（3）输入阻抗将输出接地，用万用表电阻档测量两个输入端Rin=22.2M在输入端串联一个电阻，测量串联电阻后的输出电压Vo1然后再测出不串联该电阻时的输出电压Vo2，根据该电阻所分得的电压，计算输入电阻（4）输出阻抗Rout=6.4K（5）差模增益将电压接到一个输入端，另一端接地，测量输出电压，计算差模增益Vi=18.45mV,Vo=8.3VAd==450（6）共模增益将放大器输入端共同接同一电压，记入输出电压，计算共模增益Vi=2VVoc=0.035VAc==0.0175（7）计算共模抑制比CMRR=20lg（Ad/Ac）＝88.2由于共模抑制比不够高，所以波形的噪声较大，信噪比不高。（8）零点漂移将放大器的输入对地短接，相隔10分钟，用示波器两次观察输出电压的变化并计算零点漂移＝30MV二光电耦合Vi=2.38VVo=2.15V三低通滤波器理想截止频率为100HZ输入电压为10V，测量的电压数据列表频率70.54HZ83.32HZ90.04HZ94.2HZ96.53HZ峰峰值10V9.8V8.5V7.07V（0.707）6.54V频率100HZ109.1HZ115.9HZ120.4HZ148.8HZ峰峰值4.30V3.50V1.20V0.60V0.184V带宽有些大了，所以引入了一些肌电信号，加大了干扰。四50HZ陷波输入电压5V,测量电压数据列表频率13.75HZ26.32HZ30.08HZ35.32HZ39.96HZ42.65HZ峰峰值5V4.85V4.56V4.20V4.02V3.85V(0.707)频率47HZ50.12HZ54.65HZ57.71HZ60.69HZ76.65HZ峰峰值1.08V0.520V（中心频率）1.20V3.85V(0.707)4.53V4.86V