便攜式腦電放大器設(shè)計方案報告

1、醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授便攜式腦電放大器設(shè)計報告天津大學精儀學院（ 300072 ）王慧泉3004202330一、項目的任務與要求設(shè)計題目 ：腦電放大器（電池供電）任務與要求 ：把頭皮表面腦電信號放大到伏的量級上，通過前級放大電路和后級放大電路，把信號放大1000050000 倍左右。二、設(shè)計目的人的腦電信號（EEG）是大腦皮層的神經(jīng)元細胞所產(chǎn)生的電流總和在穿過頭顱到達頭皮后，所引起的頭皮不同部位有不同的電位水平。人自發(fā)的EEG 在清醒狀態(tài)下常常含有節(jié)律性的電位變化。成年人清醒安靜狀態(tài)下的正常 EEG通常包括多種不同頻率的波。頭皮表面的EEG信

2、號范圍為1100 V。頻率范圍0.5100Hz，皮質(zhì)電位約為1mV。在靜息狀態(tài)下腦電所包含的頻率可分為下述5 類：（ Delta 波）： 0.5 4Hz，深度睡眠狀態(tài)（ Theta 波）： 4 8 Hz，夢境狀態(tài)（ Alpha 波）： 8 13 Hz，催眠、冥想狀態(tài)（ Beta 波）：13 22 Hz，清醒或激動狀態(tài)： 2230 Hz 及更高頻率。重點放大 波和 波，通過觀測腦電波基本節(jié)律實現(xiàn)對身體狀態(tài)檢測和進一步實現(xiàn)通過1醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授意識控制身邊裝置；其中 波作為一種自發(fā)腦電，與視覺皮層的閑散節(jié)律相對應，多在清醒閉目時出現(xiàn)；睜眼、

3、思考問題，或接受其它刺激時， 波消失，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)快波；如果又安靜閉目，則波又重新出現(xiàn)，這一現(xiàn)象稱為 波的阻斷現(xiàn)象。通過觀測 波的阻斷現(xiàn)象，可通過腦-機接口進一步實現(xiàn)對裝置的快速控制。三、系統(tǒng)概述、腦電檢測的頻帶選擇節(jié)律是一種規(guī)律的頻率為8 13 Hz，波幅 10 100uV 的正弦形節(jié)律。這是腦電圖的基本節(jié)律，主要出現(xiàn)在大腦球后半部，特別是在枕部的描記中，安靜及閉眼時出現(xiàn)最多，波幅亦最高，其波幅可以出現(xiàn)周期性逐漸升高和降低現(xiàn)象，呈紡錘形或梭形。當睜眼或思考問題時，節(jié)律可抑制。節(jié)律是指頻率為14 30 Hz，波幅在 5 20uV 之間的一種低波幅電活動，在前頭部最多見。當 活動占優(yōu)勢時，其波幅可達

4、50uV。 活動屬于快活動（頻率高于a 節(jié)律的活動稱快活動）。當被檢者思考問題，或有明顯焦慮、抑郁，或使用鎮(zhèn)靜藥物時， 活動明顯增多，活動波幅增高多數(shù)是神經(jīng)細胞興奮增高的表現(xiàn)。適量的 波，對積極的注意力提升，以及認知行為的發(fā)展有著關(guān)鍵性的助益。故選擇截止頻率為0.5Hz 的無源高通濾波器，用以濾極化電流，30Hz 的有源二階低通濾波器和帶寬為8 13 Hz 及 14 30 Hz 的有源窄帶通濾波器。、干擾的抑制1) 電極噪聲： 由于電極極化產(chǎn)生的噪聲， 對此干擾采用銀氯化銀電極， 是一種不易極化的電極，極化電壓僅數(shù)毫伏；2) 無線電波及高頻設(shè)備的干擾：將系統(tǒng)裝入金屬盒，外部信號傳輸使用屏蔽線；

5、3) 被測生理變量以外的人體電現(xiàn)象所引起的噪聲： 利用差分結(jié)構(gòu)和醫(yī)用放大器提高系統(tǒng)得共模抑制能力（干擾一般表現(xiàn)為共模電壓信號）4)50Hz 的工頻干擾： 幅度相對于腦電信號來說很大，可達到 EEG信號幅度的1 3 個數(shù)量2醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授級，盡管已有30Hz 的低通濾波器，但對于工頻部分衰減不夠，可能會出現(xiàn)輸出信號兩個峰值的情況，故應考慮設(shè)計高階低通或陷波器將其去除。、系統(tǒng)模塊設(shè)計腦電信號前低后帶二級通級通次放濾放電放大波大路大顯示腦-機接口四、單元電路設(shè)計與分析一般腦電機的技術(shù)指標為：輸入阻抗大于10M ；共模抑制比大于80dB（即共

6、模抑制比大于10000:1 ）；頻帶寬度 0 150Hz；系統(tǒng)噪聲小于3V；前置放大級的電源紋波電壓小于0.5mV。1、前級放大電路3醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授芯片選用 ：選用 max4194 作為核心元件，最低工作電壓為2.7V，最小功耗 470mW ，具有軌 軌的特性，輸出幅度可接近電源電壓。因為前置放大器的增益大一些對抑制放大器件本身噪聲有利，根據(jù) Ag=1+50K/Rg.，欲使增益為 100，計算得 Rg=510，根據(jù)實際可將 Rg510 ,則實際放大為 99 倍，增益誤差為1%；G=1000 時 CMRR典型值為 115dB，3dB 帶

7、寬為 0.147KHz，大于設(shè)計要求。備選方案： 選用 AD623，最小供電電壓為2.5V，最小功耗 650mW 。具有軌 軌的特性，輸出幅度可接近電源電壓。根據(jù)Ag=1+100K/Rg，欲使增益為100，計算得 Rg=1K ，根據(jù)實際可取值為 Rg=1K ，則實際放大為 101 倍，增益誤差為1% ； G= 1000 時， CMRR 最小值是 105, 3dB 帶寬為 2KHz，大于設(shè)計要求。前級并聯(lián)放大器及跟隨器選用低功耗精密放大器max414 ，采用 CMOS 技術(shù)制造。最低工作電壓為2.4V，功耗 30mW 。輸入電壓應在比負電源高1.5V，比正電源低 1.5V。輸出電壓范圍（ 2K負

8、載）在比負電源高1.3V 和比正電源低1.4V 之間。備選方案：由于max414 輸入阻抗只有2K，跟隨器設(shè)計提高輸入阻抗的方法不知能不能達到設(shè)計要求。因此前級跟隨器可選用放大器LM324 ，輸入阻抗 2M ，工作電壓為 1.5Vto 15V。采用跟隨器設(shè)計，提高輸入阻抗。因此前級放大器共放大100 倍。噪聲分析 ：芯片噪聲 ：max4194：失調(diào)電壓 2.0 V/，G=100， f=10Hz 時噪聲密度 =32nV/Hz ；AD623：失調(diào)電壓 200 V/oC 失調(diào)電流 2 V/oC，G= 1000 f=1 kHz 時輸入噪聲密度= 35 nV/Hz ，輸出噪聲密度=50 nV/Hz；ma

9、x414：其特點是低噪聲， f=KHz 時噪聲密度 2.4nV/ Hz ，增益帶寬積28MHz，單位增益穩(wěn)定，壓擺率 4.5V/ S，失調(diào)電壓 250 V，靜態(tài)電流 2.5mA 。通過計算運放噪聲小于設(shè)計要求噪聲，符合要求。oo7mV，偏置電流最Lm324：失調(diào)電壓典型 7 V/ C ，失調(diào)電流典型10V/ C，偏置電壓最大4醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授大 2nA， f=100KHz 時帶寬 1.3MHz；輸入 KHz 時，噪聲密度為40nV/Hz ，電阻噪聲 ：電路中噪聲影響最大的電阻就是并聯(lián)的R3、 R4，阻值為 1M ；噪聲電壓的均方值為：V

10、n 24kTBR ，其中k=1.372*10 -23J/K,T=293K，B=150Hz，R=500K1M，計算得輸入導線上50K1M 電阻在 30Hz 內(nèi)的熱噪聲最大為0.0785 V，R3、 R4 總共引入噪聲為0.78520.78520.11 V，其他電阻帶入系統(tǒng)熱噪聲遠小于此值，可以近似忽略，0.11 V 3 V 符合設(shè)計要求。其他設(shè)計設(shè)計要求在輸入出現(xiàn)5000V 高壓時不會損壞電路，兩個二極管可以選用低漏電的微型二極管 IN4148，其最大允許通過電流為100mA，R=50K，從而這樣輸入端可以承受高達5000V的高壓而不被破壞后級電路。無源高通截至頻率為0.5Hz，計算取值R3=R

11、4=100K，C=4.7 F，符合要求，主要用于濾出直流偏置電流；采用共模驅(qū)動電路，提高共模抑制比；提取共模信號的電阻不可取的過大，否則會影響儀用放大器的信號輸入；電源兩側(cè)并聯(lián)一大電容一小電容，目的是濾除高頻干擾和低頻干擾。2、低通濾波器截至頻率為30Hz 的有源二階低通濾波器設(shè)計要求 ：截至頻率 30Hz參數(shù)選擇 ：由歸一化得參數(shù)如圖所示電路說明 ：選用六階低通濾波主要是考慮一方面對30Hz 的濾波效果好一些，另一方面要通過此低通對 50Hz 工頻進行有效的抑制，從而省去50Hz 陷波環(huán)節(jié)，避免因陷波中心不準而造成的無法有效抑制工頻干擾的后果，電路模擬如下圖：5醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（

12、 3004202330 ）指導教師：李剛教授可見在 50Hz 處衰減已經(jīng)到達26dB，即如果有1mV 的工頻信號將通過低通衰減到47V,已經(jīng)滿足設(shè)計要求。、后級放大電路設(shè)計要求 ：放大倍數(shù)： 10 倍；由于信號在通過此部分時量級在100uV10m 之間，固定電阻噪聲相對可變電阻的小，因此不設(shè)計成可調(diào)增益，為了達到低功耗要求，電阻取值如圖，因此要在正輸入端放置100K 電阻，減少偏置電流影響，阻值應為R1、 R2 的并聯(lián)；輸入端加入濾波電容，濾出前一級引入的漂移電流，限制帶寬，使白噪聲減小。參數(shù)選擇 ：其中低通截止頻率為30Hz。、帶通濾波器設(shè)計要求：可調(diào)中心頻率和帶寬的帶通電路，用于分別捕捉

13、波（ 813 Hz ）波（ 1322 Hz）。BW=8.3Hz13.8Hz6醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授計算公式 ：對任意帶寬RWx 的響應可計算如下：2dB 10 log 1BWx其中 BW3dB=Fo/QBW3 dB電路計算公式：已知Fo、 Q、 wQR1R3 2R1R1R222 F0C2Q1如圖參數(shù)選擇得812Hz 時Fo=10Hz、 BW3dB=4Hz、 Q=2.5、 R1=39.8K、 R2=3.46、 R3=79.6、 C=1可以用調(diào)節(jié)、Q，各參數(shù)互相影響很小。芯片選用：其中，濾波部分和后級放大電路的芯片均選用LM324 ，其可工作在

14、2.5V的單電源或 1.25V的雙電源。 功耗 500mW ，其偏置電壓最大7mV ，偏置電流最大2nA， f=100KHz時帶寬 1.3MHz ；輸入 KHz時，噪聲密度為40nV/Hz ，由于腦電信號已經(jīng)過前級放大 2500 倍，信號基本已到mV量級，因此 LM324參數(shù)符合要求。備選方案，可采用max291系列芯片，其可根據(jù)需要設(shè)計成高通、低通、帶通和帶阻濾波器，具有高精度頻率和高Q值。 PDIP封裝，易于實驗。7醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授、二次放大此設(shè)計是為使系統(tǒng)總增益可為20000，可以調(diào)節(jié)，防止放大過大溢出和過小不便觀察。加入濾波電容

15、，濾出前一級引入的漂移電流，限制帶寬，使白噪聲減小。6、電池供電電路采用四節(jié) 1.5V 干電池供電，如下電路。在電源輸出兩極加入濾波電容，減小電源紋波。電源穩(wěn)壓可采用低壓降穩(wěn)壓塊LP2985?？杉尤氲蛪航捣€(wěn)壓塊LM2940 ，高負載時壓降為40mV ，輸出電流可達1.25A，典型值壓降為350mV 輸出電流為1，靜態(tài)電流為 。電路連接如上圖所示。四、小結(jié)1、腦點信號微弱很容易被干擾，減小噪聲和抑制干擾很重要。8醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授盡量的縮短各個模塊的連接線，減小帶入系統(tǒng)的工頻干擾和其他干擾；導聯(lián)線放置緊貼電路板，分別從電路板上下通過；選用屏

16、蔽盒和屏蔽線；設(shè)置頭皮電阻檢測電路，測量電極是否接觸良好。測試中可能存在的干擾 (包括眼電、肌電信號和周圍環(huán)境的變化 )，一般容易出現(xiàn)的八種情況 : 磨牙、點頭轉(zhuǎn)頭、打哈欠、眨眼、抬眉毛轉(zhuǎn)眼球、移動數(shù)據(jù)采集線、附近有東西掉在地上、說話等。在測量時應注意這些干擾帶來的影響。2、上述設(shè)計只達到了腦電放大器的最基本的要求，作為一個完整的便攜式腦電機還需要頭皮電阻測量電路，增益控制，記錄與分析、顯示和存儲部分等，所以上述設(shè)計還很不完善。3、腦電機頭皮測量電路是腦電圖機組成的必要部分，電極與頭皮接觸的好壞影響著電極接觸電阻的大小，電極與皮膚的電阻越小，得到的波形質(zhì)量就越高越穩(wěn)定。一般頭皮電阻在 20 千

17、歐（ K ）符合要求，少于 5K 更好，若電阻值過大容易產(chǎn)生干擾或造成波形失真。一般的頭皮阻抗測量電路為：其可行性還需要在實驗中驗證。3、在濾波環(huán)節(jié)采取是模擬的方式，效果不如數(shù)字的好，要是想達到真正的便攜和利用 波的阻斷現(xiàn)象由人腦發(fā)出開信號， 完成身邊設(shè)備的控制， 對于其穩(wěn)定性和抗干擾性有很高的要求，一定要將本系統(tǒng)數(shù)字化。關(guān)于后級的 A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理部分，其核心器件可選擇ADI公司的 一 A型 AD7708芯片。它是 ADI公司的一種多信道 16位 ADC，支持 4或5信道全差分輸入以及 8或 10信道偽差分輸入。主要由 1個輸入多路復用器、 2個緩沖器、 1個 PGA、 一 AADC、串行接口控制邏輯及9醫(yī)用電子學課程設(shè)計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授片上鎖相環(huán)組成。具有(1)高精度， (2)可選擇測量范圍，(3)低功耗， (4)體積小，等特點，適于設(shè)計要求。 并且可在實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行濾波和數(shù)據(jù)的分析， 以達到輔助診斷疾病的目的。顯示部分可選用 LCD器件，使結(jié)果更直觀，觀察更方便；另外此系統(tǒng)可加在一些便攜式器件中，如 MP4播放器等，既可實現(xiàn)便攜式觀察又為“意識遙控器”的發(fā)展打下基礎(chǔ)。附。芯片供電電壓參考：AD623： Dual 2.5V to6.0VAD