便携式脑电放大器设计报告.docx

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：把头皮外表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外表的EEG信号范围为1〜100UV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：5〔Delta波〕：0.5〜4Hz，深度睡眠状态〔Theta波〕：4〜8 Hz，梦境状态a〔Alpha波〕：8〜13 Hz，催眠、冥想状态B〔Beta波〕：13〜22 Hz，清醒或激动状态Y： 22~30 Hz及更高频率□波皆&波 /W/WW _ vI 口波B［邮 I 调成形睁眼 闭眼 J fS 1重点放大a波和B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a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 眼、思考问题，或接受其它刺激时，a波消失，转而出现快波；如果又安静闭目，则a波又 重新出现，这一现象称为a波的阻断现象。

通过观测a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a节律 E膈K是一种规律的频率为8〜13 Hz，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， a节律可抑制B节律•…只是指频率为14〜30 Hz，波幅在5〜20uV之间的一种低波幅电活动，在前头部最多见当6活动占优势时，其波幅可达50uV6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，6活动明显增多，6 活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现适量的6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8〜13 Hz及14〜30 Hz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，对此干扰采用银一氯化银电极，是一种不易极化的电极，极化电压仅数毫伏；2） 无线电涉及高频设备的干扰：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，可到达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。

3, 系统模块设计、A.放^滤大—波+级放大电—路―一次放大四、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10M Q；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3 U V；前置放大级的电源纹波电压小于0.5mV1, 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,具有轨一轨的 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 利，根据Ag=1+50KQ /Rg.，欲使增益为100,计算得Rg=510Q，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K Hz， 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具有轨一轨的特性， 输出幅度可接近电源电压根据Ag=1+100KQ /Rg，欲使增益为100，计算得Rg=1KQ，根 据实际可取值为Rg=1KQ，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〔2KQ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2KQ，跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能 不能到达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±1.5V to ±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 uV/°C，G=100，f=10Hz 时噪声密度=32nV/Hz；AD623： 失调电压＜200 u V/oC失调电流＜2 u V/oC，G= 1000 f=1 kHz时输入噪声密度=35 nV/Hz，输出噪声密度=50 nV/Hz；max414：其特点是低噪声，f= 1 KHz时噪声密度'Hz，uS，失调电压＜250uV，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7uV/oC，失调电流典型10uV/oC，偏置电压最大7mV，偏置电流最大2nA, f=100KHz时带宽1.3MHz；输入1 KHz时，噪声密度为40nV/官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： V 2 = 4kTBR，其中k=1.372*10-23/K,T=293K, B=150Hz, R=500K1M,计算得输入导线上50K1M电阻在30Hz内的热噪声最大为0.0785 UV,R3、R4总共引入噪声为抑.7852 +0.7852 = 0.11 "，其他电阻带入系统热噪声远小于此 值，可以近似忽略，UV <3UV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=50KQ，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= U F，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Cl i i ?CpzT2__1 1 信-L +、、'■＞，.CN513Dp:ISTSpfC43750pf设计要求：截至频率30Hz参数选择：由归一化得参数如下图电路说明：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，防止因陷波中心不准而 造成的无法有效抑制工频干扰的后果，电路模拟如下列图：InOijt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47uV,已 经满足设计要求。

3, 后级放大电路C2噪声相对可变电阻的小，因此不设计成可调增益，为了到达低功耗要求，，固定电阻电阻取值如图，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 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30Hz4, 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a波〔8~13 Hz的并联；输入端加〕B波〔13~22 Hz〕BW带通滤波模拟计算公式:对任意带宽RWx的响应可计算如下:dB = 10log 1 +BWx 2—(BW )' 3dB /其中 BW3dB=Fo/Q电路计算公式：已知Fo、Q、wR =————— R = 1— R = 2 R1 2兀 F0 C 2 2Q 2 -1 3 1如图参数选择得8~12Hz 时 Fo=10Hz、BW3dB=4Hz、Q=、、、、C=1uF可以用R2调节①、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IKHz时，噪声密度为40nV/（位，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，典型值压降为350mV输出电流为1A，静态电流为2 4 0 uA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；• 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、 上述设计只到达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〔K Q〕符合要求，少于5K Q更好，假设电阻值过大容易产 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，要是想到达真正的便携和利用a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S 一A型AD7708 芯片它是ADI公司的一种多信道16位ADC，支。