便攜式腦電放大器設計方案報告

1、醫(yī)用電子學課程設計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授便攜式腦電放大器設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、設計目的人的腦電信號（EEG）是大腦皮層的神經元細胞所產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)律實現對身體狀態(tài)檢測和進一步實現通過1醫(yī)用電子學課程設計報告王慧泉（ 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；睜眼、

3、思考問題，或接受其它刺激時， 波消失，轉而出現快波；如果又安靜閉目，則波又重新出現，這一現象稱為 波的阻斷現象。通過觀測 波的阻斷現象，可通過腦-機接口進一步實現對裝置的快速控制。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，安靜及閉眼時出現最多，波幅亦最高，其波幅可以出現周期性逐漸升高和降低現象，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，活動波幅增高多數是神經細胞興奮增高的表現。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，極化電壓僅數毫伏；2) 無線電波及高頻設備的干擾：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象所引起的噪聲： 利用差分結構和醫(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 個數量2醫(yī)用電子學課程設計報告王慧泉（ 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，可能會出現輸出信號兩個峰值的情況，故應考慮設計高階低通或陷波器將其去除。、系統(tǒng)模塊設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、單元電路設計與分析一般腦電機的技術指標為：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 Ag=1+50K/Rg.，欲使增益為 100，計算得 Rg=510，根據實際可將 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Ag=1+100K/Rg，欲使增益為100，計算得 Rg=1K ，根據實際可取值為 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，大于設計要求。前級并聯放大器及跟隨器選用低功耗精密放大器max414 ，采用 CMOS 技術制造。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，跟隨器設計提高輸入阻抗的方法不知能不能達到設計要求。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：失調電壓 2.0 V/，G=100， f=10Hz 時噪聲密度 =32nV/Hz ；AD623：失調電壓 200 V/oC 失調電流 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，失調電壓 250 V，靜態(tài)電流 2.5mA 。通過計算運放噪聲小于設計要求噪聲，符合要求。oo7mV，偏置電流最Lm324：失調電壓典型 7 V/ C ，失調電流典型10V/ C，偏置電壓最大4醫(yī)用電子學課程設計報告王慧泉（ 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 符合設計要求。其他設計設計要求在輸入出現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；電源兩側并聯一大電容一小電容，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計要求 ：截至頻率 30Hz參數選擇 ：由歸一化得參數如圖所示電路說明 ：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 處衰減已經到達26dB，即如果有1mV 的工頻信號將通過低通衰減到47V,已經滿足設計要求。、后級放大電路設計要求 ：放大倍數： 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，因此不設計成可調增益，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；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。參數選擇 ：其中低通截止頻率為30Hz。、帶通濾波器設計要求：可調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可以用調節(jié)、Q，各參數互相影響很小。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 ，由于腦電信號已經過前級放大 2500 倍，信號基本已到mV量級，因此 LM324參數符合要求。備選方案，可采用max291系列芯片，其可根據需要設計成高通、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)用電子學課程設計報告王慧泉（ 3004202330 ）指導教師：李剛教授、二次放大此設計是為使系統(tǒng)總增益可為20000，可以調節(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 )，一般容易出現的八種情況 : 磨牙、點頭轉頭、打哈欠、眨眼、抬眉毛轉眼球、移動數據采集線、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，效果不如數字的好，要是想達到真正的便攜和利用 波的阻斷現象由人腦發(fā)出開信號， 完成身邊設備的控制， 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)數字化。關于后級的 A/D 轉換及數字信號處理部分，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，適于設計要求。 并且可在實現數字化的基礎上繼續(xù)進行濾波和數據的分析， 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，既可實現便攜式觀察又為“意識遙控器”的發(fā)展打下基礎。附。芯片供電電壓參考：AD623： Dual 2.5V to6.0VAD