腦電圖機放大電路的設(shè)計與仿真

1、第25卷第8期計算機仿真2008年8月文章編號:1006-9348(200808-0300-04腦電圖機放大電路的設(shè)計與仿真劉國立,王一丁(中國科學(xué)院研究生院,北京100049摘要:在現(xiàn)有生物電放大器研究的基礎(chǔ)上,改進(jìn)并設(shè)計了一種符合腦電信號特征的新型高性能放大電路,避免了傳統(tǒng)生物電放大電路冗繁的模擬濾波環(huán)節(jié)。設(shè)計中利用TI公司的低功耗儀表放大器I N A326,得到了較高的共模抑制比;進(jìn)而通過50Hz陷波器和低通濾波器,有效地消除了腦電信號強大背景噪聲的干擾,實現(xiàn)了微弱腦電信號的放大和采集;最后利用TI2NA仿真軟件對該前置放大電路和50Hz陷波器進(jìn)行了設(shè)計的仿真驗證。結(jié)果表明,放大電路具有

2、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、非線性度小、抗干擾能力強的特點,具有較強的實用性。關(guān)鍵詞:腦電;仿真;共模抑制比;前置放大器;陷波器中圖分類號:TP39119文獻(xiàn)標(biāo)識碼:BD esi gn and S i m ul a ti on of Am pli f i er of Electroencepha lographL IU Guo-li,WANG Yi-ding(Graduate University of Chinese Acade my of Sciences,Beijing100049,P.R ChinaABSTRACT:On the basis of existing bi ol o

3、gical electricity a mp lifier which is studied,a design of ne w type and highperfor mance amp lifier circuit was p r oposed which is in agree ment with the characteristic of the EEG signal and thecircuit has p revented the traditi onal design fr om enlarging the m iscellaneous si m ulati on of the c

4、ircuit and straining thewave link.First,the high Common Mode Rejecti on Rati o(C MRRwas achieved by the use of instru mentati on a m2p lifier I N A326with l ow consu med power;Then,in order t o eli m inate the str ong backgr ound noises of EEG signal,50Hz notch filter and l ow-pass filter have been

5、intr oduced in this design and realized the a mp lificati on and collec2ti on of weak EEG signal.Finally,the feasibility of the design is p r oved according t o the si m ulati on of p reamp lifierand50Hz notch filter by the use of TI N A s oft w are.The results indicate that the circuit has a bright

6、 app licable futurebecause of its characteristics of high input i m pedance,high C MRR,l ow noises,l ow degree of nonlinear and high anti-interference ability.KE YWO R D S:Electr oencephal ogra m(EEG;Si m ulati on;Common Mode Rejecti on Rati o(C MRR;p rea mp lifier;Notch filter1引言人體大腦皮層的神經(jīng)元具有自發(fā)的生物電活

7、動,使得大腦皮層經(jīng)常具有持續(xù)的節(jié)律性電位的改變,臨床上利用雙極或單極記錄方法在頭皮上觀察大腦皮層的電位變化,記錄到的腦電波稱為腦電圖(EEG1。腦電圖機就是用來研究大腦神經(jīng)細(xì)胞活動的精密電子儀器,它能迅速而準(zhǔn)確地記錄大腦兩半球電活動的曲線。由于腦電信號屬于低頻微弱的自然信號,其幅值一般在015100V,頻率為01540Hz,具有不穩(wěn)定和非線性的特點,容易受到各種噪聲的干擾,為了對其進(jìn)行處理、記錄及顯示,必須首先把電極檢測到的腦電信號放大到所要求的強度,因而信號放大器就成為腦電圖機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及設(shè)計的主要內(nèi)容,而放大器的核心是前置放大,目前生物電放大器前置級電路普遍采用的是由OB rient提出的

8、非常經(jīng)典的同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置級放大電路2。這種結(jié)構(gòu)的電路由3個基本運算放大器構(gòu)成,其中2個組成同相并聯(lián)輸入第一級放大,以提高放大器的輸入阻抗,另一個為差動放大,作為放大器的第二級,由于該電路共模抑制比較低(60d B且對電阻的匹配精度要求很高,因此這種傳統(tǒng)設(shè)計無法得到較好的腦電信號,成為腦電圖機放大電路設(shè)計的瓶頸。近年來,由于微電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展,出現(xiàn)了許多高性能的由同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的三運放電路集成的儀表放大器,如美國TI公司、AD I收稿日期:2008-05-18修回日期:2008-06-22 公司、BB 公司和L inear 公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀表放大器,使得利用其設(shè)計新型腦

9、電圖機放大電路,克服傳統(tǒng)放大電路的缺陷成為可能,為設(shè)計生物電放大器提供了充分的選擇和便利條件。本文根據(jù)腦電信號的微弱特性和微弱信號處理要求,采用TI 公司的低功耗儀表放大器I N A3263設(shè)計了具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、非線性度小、抗干擾能力強腦電圖機的放大電路,同時利用TI 公司的TI N A 仿真軟件對其進(jìn)行了仿真驗證。2腦電圖機放大電路原理由于腦電信號具有頻率低、信號弱的特點,在對其進(jìn)行有效地采集、處理、記錄或顯示之前,需使用腦電圖機的放大電路把腦電信號放大到系統(tǒng)要求的大小后才可作為輸入信號連接到A /D 轉(zhuǎn)換器。如圖1所示,整個腦電放大電路由前置差分放大電路、50Hz 工

10、頻陷波電路、高通濾波器、低通濾波器和放大電路等部分構(gòu)成。腦電信號經(jīng)腦電電極傳導(dǎo)到帶右腳驅(qū)動功能的前置差分放大電路進(jìn)行差分放大,接著通過引入50Hz 工頻陷波電路對腦電信號進(jìn)一步濾除50Hz 工頻干擾,然后由高通濾波器消除極化電壓產(chǎn)生的干擾;由于腦電信號頻率的范圍基本上都在40Hz 以內(nèi),需在此引入低通濾波器,以消除腦電信號以外的高頻噪聲,放大后的腦電信號輸入到A /D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化采樣,然后傳送給計算機進(jìn)行處理、記錄和顯示。腦電的上述特點決定了其放大電路設(shè)計的關(guān)鍵在于從強大噪聲背景中提取信號并進(jìn)行高增益放大。即如果要采集到清晰準(zhǔn)確的腦電信號,要求放大器必須具備高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪

11、聲等優(yōu)質(zhì)特性,這也是目前放大電路設(shè)計的難點。 圖1腦電圖機放大電路原理框圖3腦電放大電路的設(shè)計與仿真311前置差分放大電路如圖2所示,前置差分放大器是設(shè)計整個腦電放大電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其主要作用是對腦電信號進(jìn)行差分放大,同時抑制50Hz 共模信號的干擾;因此在本設(shè)計中采用了TI 公司的低功耗儀表放大器I N A326。I N A326是美國德州儀器公司推出的精密電源正負(fù)限輸入/輸出儀表放大器。它的主要特點是輸入或輸出接近電源電壓,因此能夠提高輸入和輸出的動態(tài)范圍。其共模輸入電壓范圍為:(V -20mV (V +100mV,典型非線性度誤差僅為01004%,可保持良好的線圖2前置差分放大電路性。I

12、 NA 326在1kHz 的條件下折合到輸入端(RTI 的最小噪聲為33n V /Hz,比腦電信號低很多,符合腦電放大電路低噪聲的要求。另外,整個放大電路的輸入阻抗是由I N A326的輸入阻抗決定的,而該芯片的輸入阻抗高達(dá)10G,完全適合腦電信號高輸出阻抗的特點。由于I N A326帶有預(yù)調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò),因此無需提供精密匹配電阻就可以實現(xiàn)高共模抑制比,其C MRR 的典型值為114d B,可以有效的從50Hz 共模干擾中提取腦電信號,并且減少共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_。另外,I N A326的增益可通過與輸入信號隔離的外部增益電阻來設(shè)置,而且工作性能穩(wěn)定。系統(tǒng)采用精密放大器OP A735設(shè)計了強制

13、性輸出緩沖放大器,通過電阻器求和網(wǎng)絡(luò)建立公共檢測點,用來驅(qū)動強制性輸出緩沖放大器,該放大器補償通過人體的電流,提高了系統(tǒng)抗干擾的能力4。現(xiàn)實環(huán)境中由于各種無線設(shè)備的廣泛使用,如GS M 、W iFi 、B luet ooth 等,使得射頻干擾(RF I 無處不在,這些射頻干擾的頻率往往是M 級甚至G 級,它們通過腦電導(dǎo)聯(lián)線耦合到放大器輸入端。在20kHz 以上的頻率條件下即使最好儀表放大器也沒有C MR 能力,當(dāng)輸入較強的RF 干擾時,儀表放大器可能將RF 干擾整流后表現(xiàn)為DC 輸出失調(diào)誤差,因為射頻信號是斷斷續(xù)續(xù)的,所以該干擾在儀表輸出端會表現(xiàn)為低頻干擾信號,可能會出現(xiàn)無法被低通和高通電路濾

14、除的情況。為了解決該問題,在儀表放大器前設(shè)計了RF I 衰減濾波器,該濾波器需要完成三項工作:盡可能多地從輸入端濾除RF 能量,保持輸入端與地之間的AC 信號平衡,以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對輸入信號源的帶載能力。圖2中R 1、R 3、C 1、C 2、C 3組成了一個電橋電路的差分RF I 濾波器,該濾波器在-3d B 差分帶寬計算公式為:1/2R 1(2C 2+C 1,其中C 2是C 1的10倍以上,可以將C 1和C 3不匹配造成的C MR 誤差降低20d B 。前置放大電路對差模信號的放大倍數(shù)計算公式為式(1,這里R 9=100K 、R 4=5K 、R 5=5K,則放大

15、倍數(shù)為20倍。A dm=2×R9R4+R5(1假設(shè)電路從人體表取得頻率為10Hz、幅度為10V的差模信號,即信號發(fā)生器VG2,那么通過前置差分放大電路輸出的仿真波形VM1如圖3(b所示。根據(jù)仿真曲線我們計算出前置放大器放大倍數(shù)Ad m=(199184uV/10V=1919820。所以放大倍數(shù)的仿真結(jié)果與理論計算接近相等。圖3(a是對頻率為50Hz、幅度為1V的共模信號的仿真曲線,從圖中可以看出前置放大器輸出VM1為11186V,根據(jù)公式二計算得出仿真的共模抑制比為125d B。C M RR=20lg(2×R8(R3+R4×V inV ou t(2 圖3前置差分放大

16、電路仿真曲線從對前置差分放大電路的仿真結(jié)果可以看出,通過在前置差分電路中采用I N A326,使得設(shè)計的放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的特點,從而實現(xiàn)了對腦電信號的差分放大,同時有效地抑制了50Hz共模信號的干擾 。圖4 陷波電路圖5陷波器仿真曲線31250Hz工頻陷波電路在腦電信號的提取過程中,腦電信號的幅值很低,而人體的工頻干擾在一般情況下都比腦電信號要強得多,所以腦電信號一直都淹沒在工頻干擾和其它的一些干擾中。雖然前置差分放大電路對共模干擾進(jìn)行了有效地抑制,但是部分工頻干擾仍以差模信號方式進(jìn)入電路,因此需設(shè)計50Hz工頻陷波電路5來進(jìn)一步濾除工頻干擾(如圖4。采用OP A73

17、5構(gòu)成正反饋的有源雙T帶阻濾波器,式(3給出了由節(jié)點導(dǎo)納方程求得其傳遞函數(shù):A(S=4sRC(1-1+4sRC(1-+(sRC2(3式中R=R1=R3,C=C3=C4,=R5/(R4+R5。該電路的Q值隨著反饋系數(shù)的增大而增大,式(4給出了該電路中Q值與(0<<1的關(guān)系:Q=14(1-(4值得注意的是,隨著Q值的增高,電路將會出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激,因此一般將Q值選在幾至幾十的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)R4和R5可以改變Q值的大小,這里R4=470,R5=10k,=0196,Q=516。根據(jù)中心頻率公式fo=12R1C3計算出該陷波器的中心頻率為50101Hz,從陷波器的仿真曲線(圖5可以得出陷波器

18、的中心頻率為50Hz,與理論計算結(jié)果一致,50Hz工頻被衰減了37d B,高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的衰減20d B的要求,40Hz以下信號基本衰減為0d B。仿真結(jié)果表明,陷波器具有良好的線性度,保證了陷波器對信號傳輸不失真,也反映了陷波器對工頻具有較好的濾波作用,從而提高了放大電路抗干擾的能力。313濾波器電路和放大電路濾波器電路由一階RC高通濾波器和四級有源低通濾波器6組成(如圖6所示。一階RC高通濾波器可以濾除極化電勢產(chǎn)生的直流電位。四級有源低通濾波器截至頻率設(shè)置fo=12R1C1=40167Hz,可以進(jìn)一步濾除50Hz和高頻干擾。 圖6濾波器電路和放大電路A =R 3+R 4R 4×

19、;R 8+R 9R 8×R 11+R 12R 11(5根據(jù)濾波器電路和放大電路的放大公式(式五可以計算出該電路的放大倍數(shù)為175倍,即44d B,這與仿真結(jié)果(圖7基本一致 。4放大電路性能指標(biāo)測試結(jié)果與分析性能指標(biāo)是衡量腦電放大電路性能的重要指標(biāo)。經(jīng)測試該腦電放大器的性能指標(biāo)如下:共模抑制比C MRR 不小于115d B;頻率范圍012Hz 40Hz;輸入阻抗大于100M;時間常數(shù)大于1s;輸入噪聲電平小于1V p -p ;增益為70d B;工頻濾波效率衰減不低于30d B 。與腦電放大電路的仿真結(jié)果相比,實際測量的C MRR 值比仿真結(jié)果(125d B 降低10d B,50Hz

20、工頻衰減低于仿真值7d B,這主要是由于腦電放大電路中對稱電阻和電容的不匹配現(xiàn)象以及腦電導(dǎo)聯(lián)線的耦合現(xiàn)象等因素的存在,使得實測值略低于仿真值。盡管由于不可避免的因素的存在,使得所設(shè)計的腦電放大電路實測值與仿真值存在一定差別,但實際測得的C MRR 和工頻抑制干擾能力仍遠(yuǎn)大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的性能指標(biāo)(C MRR 為80d B;工頻抑制干擾能力為20d B ,達(dá)到了高性能放大電路要具備高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、非線性度小、抗干擾能力強的設(shè)計要求。按照國際上廣泛采用的10-206系統(tǒng)電極法采集腦電信號,腦電信號經(jīng)設(shè)計的放大電路后,在計算機中通過數(shù)字濾波處理,獲得了良好的EEG 波形(圖8。5結(jié)語由于腦電信號非常微弱且常常淹沒在強背