腦電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、腦電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告（直流供電）指導(dǎo)老師：李剛教授精密儀器與光電子工程學(xué)院04級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程二班陳露詩(shī) 30042023412006 -12 26腦電放大器(電池供電)設(shè)計(jì)報(bào)告3004202341 2 陳露詩(shī)2007一、設(shè)計(jì)目的與意義)腦電概述腦電信號(hào)是與反映大腦神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的生物電位，由皮層內(nèi)大量神經(jīng)元突出后電位同步總和所形成的，是許多神經(jīng)元共同活動(dòng)的結(jié)果。對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)可用于神經(jīng)診斷和認(rèn)知生理心理學(xué)研究，以及康復(fù)領(lǐng)域。現(xiàn)在已明確，在 頭皮上引導(dǎo)的腦電波振幅，在正常情況下，從波峰到波底為5200pV (而從大腦皮層上引導(dǎo)的電位變化可達(dá)到1mV其頻率范圍從小于1HzgiJ 100Hz,波形因不同的

2、腦部位置而異，并與覺醒 和睡眠的水平相關(guān)，且存在很大的個(gè)體差異，也就是說(shuō)腦電波在不同的正常人中也存在著不 同的表現(xiàn)。因而腦電信號(hào)放大和采集的實(shí)現(xiàn)仍是一個(gè)難題。而實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)放大的主要困難 在于高增益放大的同時(shí)去除各種干擾。通過(guò)電極和導(dǎo)線從頭皮上或者從大腦皮層上直接將大腦產(chǎn)生的節(jié)律性電位變化，傳送至 特制的記錄裝置一一腦電圖機(jī)上記錄下來(lái)，形成動(dòng)態(tài)曲線，這就是通常稱為的腦電圖(electroencephalogram,EEG )，腦電圖反應(yīng)了大腦皮質(zhì)的自發(fā)腦電活動(dòng)。輸入盒導(dǎo)聯(lián)選擇圖1 1腦電機(jī)框圖由于腦電信號(hào)非常微弱，通常在量級(jí)，所以腦電放大器的前置放大器應(yīng)有較高的要求，應(yīng)由較低的輸入噪聲（3以V

3、p-p）、高增益（50010000倍）、高共模抑制比（應(yīng)大于80dB）、 低漂移和高輸入阻抗（10MQ）等要求。通常腦電前置放大器采用三運(yùn)算放大器電路，采用 低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)，用同向輸入方式，以確保高阻抗和低噪聲。腦電圖機(jī)的主放大器包括后級(jí)放大及功率放大，以獲得足夠的功率輸出。為了實(shí)現(xiàn)腦電 信號(hào)的放大以便于觀測(cè)，我設(shè)計(jì)的腦電放大器重點(diǎn)在設(shè)計(jì)上圖虛線框里的部分。）腦電信號(hào)分析腦電圖是一種隨機(jī)性的生理信號(hào)，其規(guī)律性遠(yuǎn)不如心電圖那樣明確，通常將腦電圖的振 幅和頻率成分作為腦電診斷的主要依據(jù)，而頻率成分顯得尤為重要。因?yàn)榇竽X活動(dòng)的程度與 腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有密切的關(guān)系。一般將正常腦電活動(dòng)

4、相關(guān)的腦電波頻率范圍劃分為五種類型，頻率由高到低，依次為丫波、B波、a波、8波、6波（表 2-1 ）表2-1腦電圖中各波的頻率范圍和幅值頻率范圍峰值a波813Hz520VB波1330Hz20丫波48 Hz100V6波0.54 Hz100V8波31 Hz2V波波 波薇 0 a 00-3）設(shè)計(jì)目的時(shí)間抵圖1各牌節(jié)彈波塞0510 1sM H 30驪率我圖2正靠人電信號(hào)4Ei用實(shí)現(xiàn)對(duì)正常人腦電信號(hào)的放大，查明腦電圖中各類波的比例，并觀察比較不同頻率的腦電信號(hào)的波形、強(qiáng)弱特點(diǎn)。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)模塊前置放大器采用低噪聲、低漂移的精密儀表放大器 AD620作為主放大器，前級(jí)采用兩個(gè) 單運(yùn)放OP07運(yùn)放放大器

5、組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。 在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng) 放大器的輸入阻抗為無(wú)窮大，共模抑制比也為無(wú)窮大。阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動(dòng)放大 器構(gòu)成的前級(jí)放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間，這樣，可為后級(jí)儀器放大器提 高增益，進(jìn)而為提高電路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低， 還采用了共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻容元件參數(shù)不對(duì)稱導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換 成差模干擾的情況發(fā)生。50HZ工頻陷波采用了可調(diào)Q值的雙T型網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)高精度的陷波。 后級(jí)放大采用兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)。為了有效抑制干擾，還采用了多芯屏避電纜。前級(jí)放大倍數(shù)為500倍，由并聯(lián)型差分輸入電路與前置

6、主放大共同作用實(shí)現(xiàn)。其中信號(hào) 經(jīng)過(guò)并聯(lián)差分放大5倍，然后再經(jīng)過(guò)AD620放大100倍。后級(jí)放大20倍，由兩個(gè)反相器串聯(lián) 實(shí)現(xiàn)。由于我的設(shè)計(jì)目的是為了觀察腦電信號(hào)波形的差異，為了盡量減少不必要頻率的信號(hào) 對(duì)觀測(cè)造成干擾，即為了盡量抑制噪聲，我選擇將信號(hào)頻率帶寬設(shè)為0.5HZ35HZ。在調(diào)試電路中，先經(jīng)過(guò)儀表放大器對(duì)來(lái)自頭皮電極的腦電信號(hào)進(jìn)行前置放大。然后，對(duì)放大過(guò)的信 號(hào)進(jìn)行低通濾波及補(bǔ)償、50HZ工頻陷波和后級(jí)放大調(diào)整后進(jìn)入示波器進(jìn)行觀察。三、單元電路的設(shè)計(jì)Vin o-1-LLIFCT1O R51.無(wú)源高低通濾波與前置放大參數(shù)選擇11無(wú)源局通濾波（阻容耦合電路）：截止頻率fc=3 0.339H

7、Z2 RC 2 3.14 470 1 10參數(shù)選擇：R6=R7=470, C1=C2=V F前級(jí)放大增益設(shè)置：前置放大電路的增益主要有兩部分組成，第一部分是差分放大電路，第二部分是儀用放大器。由于電極噪聲的存在，差分放大電路的放大倍數(shù)不宜太大，在這里設(shè)置為5倍左右，后面儀用放大器設(shè)置為 100倍左右：K1=1+2R1/R3=5 K2=49.6KQ /RG+1=100參數(shù)選擇：R1=R2=82 ,R3=39KQ ;RG=50OQ共模抑制比：KKK A1dA2dA1 dA2 dakK CMRRK CMRR 1K CMRR2 A1dK CMRR 2A1c A2c 1A2c即：KCMRR 20 1g

8、A1d K CMRR 2右腿驅(qū)動(dòng)電路：為了減小位移電流的干擾并減小共模電壓采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路。從圖中可以看到右腿這時(shí)不是直接接地，而是接到輔助放大器的輸出，從R4、R5兩電阻接點(diǎn)檢出的共模電壓經(jīng)放大器后，再通過(guò) Ro反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)不再流入地，而是流向Ro。Ro在此起安全保護(hù)的作用，當(dāng)人和地之間出現(xiàn)較大的電位時(shí)，輔助運(yùn)放 飽和，相當(dāng)于地，Ro此時(shí)起限流保護(hù)的作用。電路由 U3、R5、Rf、C5、R0組成，C5 的作用是使右腿驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定。 R0=100K Q, Rf=10M Q, R5=10K Q, C5=4.7妤。當(dāng)輔助運(yùn)放不飽和時(shí)，_VCJ % 0( R4 R5)所以，Vo

9、二RJVcR4 R9 R5 R9 RfR4 R9又因?yàn)?，Vc IdRo Vo所以Vc年12 RFR4 R9所以，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路可以減小人體與地之間的共模電位。共模電壓為Vcm=RcmXld；共模等效電阻為Rcm=R0/ (1+2Rf/R9),在選擇參數(shù)時(shí)要盡量減小共模等效電阻。共模取樣驅(qū)動(dòng)電路：由兩個(gè)等值電阻R6、R7和運(yùn)算放大器U3 (LM324 )跟隨器構(gòu)成。U3的輸入信號(hào)取自U1和U2輸出端和兩個(gè)串聯(lián)電阻R6、R7的中點(diǎn)電壓Vc,即1Vc= - Vol Vo2當(dāng)只有差模信號(hào)的輸出Vo1=-Vo2時(shí)，有Vc=0 。則運(yùn)放A3的輸出電壓 2為零，等同于接地：而當(dāng)兼有共模電壓和差模信號(hào)輸入時(shí)

10、，U3的輸出只包含輸入信號(hào)的共模部分Vc=，Vi1 Vi2從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。放大器U4選用AD62Q U1、U2選用具有高輸入阻抗的放大器 OP07 ; U3選用LM324 ;AD620是高增益高輸入阻抗的精密儀用放大器， 可供電范圍2.3to 18V ,雙端供電范 圍廣，易調(diào)節(jié)；MAX4194雙端供電范圍為 2.7to 3.3V ,不在此范圍內(nèi)的供電電壓都 難以使MAX4194正常工作，單端供電5V18V,但雙端供電因?yàn)樯婕暗叫盘?hào)地較為麻 煩，而且設(shè)計(jì)電路經(jīng)常需要調(diào)試，多次使用或不慎使用

11、很易造成其燒毀。故雖然MAX4194 具有軌至軌輸出、高增益調(diào)節(jié)、低噪聲、低漂移等優(yōu)良特性，但與AD620相比，我還是選擇了后者作為我的主放大器。2、低通濾波:本設(shè)計(jì)要求濾波器的陡度系數(shù)要高，即波形要下降的速度較快。要求通帶截止頻率p=35HZ,通帶內(nèi)增益 K=500且保持平坦，在阻帶截止頻率r=50HZ處至少衰減20dB ,A( C)2 n 1(/ c)2n 21 ( r/ c)2nk . k 算得n 4.7,因此濾波器至少1 (50/35)2n應(yīng)設(shè)為五階。方案一：六階巴特沃思低通濾波器設(shè)置低通濾波的截止頻率為35H乙歸一化值:C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C

12、4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F ;R1=R2=R3=R4=R5=R6=1_ _4FSR=A fc=628;Z=10去歸一化后的標(biāo)稱值C1=470nF C2=470nF C3=680n C4=330nFC5=2.2p F,C6=0.1 p F;R1=R2=R3=R4=R5=R6=WK測(cè)試結(jié)果如右圖所示：可從圖中看出輸出波形有波紋,為100mV通帶截止頻率為 35.56HZ且50HZ頻率的輸入信號(hào)的輸出波形幅值約頻率/HZ1.4413.0025.01810.2415.120.0224.9329.9935.56幅值/V0.60.6560.670.650.650.6280

13、.610.5840.474頻率/HZ35.9436.9938.0140.14249.8955.0180.65100幅值/V0.4520.410.3760.3040.240.1020.070.0060.002測(cè)試數(shù)據(jù)為:INPUTtI.DC ACCURATEOUTPUT方案二：用集成芯片MAX280本方案采用MAX291共電路圖如左圖，- BUFFEREDOUTPUTFBMAX20OOUTStXJTT電容C的計(jì)算公式：上162時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算公式:-6 :E。小3,亡人匕mFosc=100fc經(jīng)R C調(diào)整后，可按如下公式選取參數(shù)選?。篟=17.1517K （真實(shí)值17.5K）;3、50HZ陷波器C=

14、0.47pF （真實(shí)值 0.465 pF）; Cosc=1410.75PF （真實(shí)值 1500PR）測(cè)試結(jié)果：通帶截止頻率為34.36HZ頻率/HZ1.5213.6420.0634.3639.9149.976079.9890.06100幅值/V110.9760.7060.4060.1440.0580.0150.0090.006 ,、11 一參數(shù)選擇：中心頻率fc=;品質(zhì)2 RC因素：Q=-1一，Q值不易選太大， 4(1 K)否則易產(chǎn)生自激，一般選十到幾十左右取 Q=20 K=0.975;C1=C2=0.1 p F , C3=0.22 F ;R1=R2=30K, R3=15 , R4 為 10k

15、 電位器，R4=100KQ。4、后級(jí)放大電路圖如右圖所示：采用反相放大器進(jìn)行后級(jí)放大 前端加有電容，隔直用。放大器正輸入端接有平衡 電阻，減少直流偏置。1）測(cè)心電用：增益 A1=-R2/R1=-2;參數(shù)選擇：C1=m F （真實(shí)值 0.712 N F） , R1=508 , R2=992 ,平衡電阻為 R3=R1/R2=326KQo高端截至頻率為：0.44HZ。2）測(cè)腦電用：增益 A2=-R2/R1=-20;參數(shù)選擇：取 R1=220KQ , R2=4.7MQ,平衡電阻為 R3=R1/R2=210KD ; C1=2.2pF。5、電源設(shè)計(jì)方案一：利用四節(jié)干電池供電，中間接地，將另 一端j拉至-3

16、v。此方案實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但電池節(jié) 數(shù)太多，不利于整機(jī)攜帶。所以可選電池盒來(lái)雙 端供電。方案二：采用單電源供電，可減少電池節(jié)數(shù)，但 需要單獨(dú)引地線較為麻煩。因?yàn)檫x用的前置主放大；MAX4194其雙端供電電壓為士 2.73.3V,不在此范圍內(nèi)的供電電壓難以使之工作，對(duì)于 電池供電很難保證電池電壓在此范圍內(nèi)，所以考慮到使用單端供電。供電方法如圖所示：6、穩(wěn)壓電路：用集成芯片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。MAX603T實(shí)現(xiàn)1.25V-11V的穩(wěn)壓輸出。由于采用單端供電，產(chǎn)生了一個(gè)幅值為Vcc/2的偏置電壓，可以獲得最大的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)范 圍。（此處放大器的接地端為信號(hào)地）口 ITlhMT陋GNDSET07MAXIMMWAJ

17、4TO1 OLTPUTVOLTAGE性能說(shuō)明：? High-Power (1.8W) 8-Pin SOPackage? Dual Mode? Operation: Fixed or AdjustableOutput from 1.25V to 11V? Large Input Range (2.7 V to 11.5V)? Internal 500mA P-ChannelPass Transistor? 15A Typical Quiescent Current? 2A (Max) Shutdown Mode? Thermal Overload Protection ? Reverse-Cur

18、rent Protection四、總結(jié).在前級(jí)放大之前不宜加無(wú)源高通濾波。 如果輸入端設(shè)置電容隔置電路，勢(shì)必會(huì)破壞輸入端 的平衡，使共模抑制能力下降。前級(jí)放大采用并聯(lián)型差分輸入以提高輸入阻抗和共模抑制 比；還采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路以減小共模輸出。.為了減小50Hz交流電對(duì)共模信號(hào)的干擾，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路：即人右腿不直接接地，而 是通過(guò)限流電阻與驅(qū)動(dòng)放大器相連，當(dāng)病人和地之間，由于漏電或其它原因出現(xiàn)高電壓時(shí)，右腿放大器立即飽和，這相當(dāng)于病人不直接接地，減少了電擊的危險(xiǎn)。陷波器采用可調(diào)Q值和可調(diào)中心頻率的雙T型陷波網(wǎng)絡(luò)，避免了陷波不徹底及陷掉其他頻率波形的弊端.將導(dǎo)聯(lián)線互相絞合，減少引線環(huán)路面積，空間

19、磁感應(yīng)干擾。.由于導(dǎo)線屏蔽層與芯線間的分布電容不對(duì)稱性，故屏蔽導(dǎo)聯(lián)線總長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)3米。.為了保證穩(wěn)定的直流輸入，采用了反饋調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓電路，可以達(dá)到較好的穩(wěn)壓效果。.放大電路利用了儀器放大器的共模抑制比和增益的關(guān)系。結(jié)合右腿驅(qū)動(dòng)電路、單片集成濾波器，實(shí)現(xiàn)了放大器的高性能。附圖：AD620管腳圖及其性能：（雙電源供電）低失調(diào)電壓：最大50 N低漂移 ：最大0.5W/OC低輸入偏置電流：最大2nA高共模抑制比 ：90dB以上輸入保護(hù)最大可承受電壓： 40V 寬供電范圍： 2.3 一一 18V 低靜態(tài)失調(diào)電流：700隱OP07管腳圖及其性能+IHVqs TRIM-INVds trim v*VflUT N.C.8 Lead Dip.UIU4 Low Offset Voltage: 10MVUlira Low Offset Voltage Drift:Ultra Stable v. Time：Ultra Low Noise:Wfde Supply Voilage: 3V to 18VHigh Common Mode Input 14VNo External Components RequiredFits AD510. 725. lOBA/SOSA. 741 SocketsLM324四路運(yùn)算放大器LM32布列 集成運(yùn)放是 4組獨(dú)立的 高增益的、 內(nèi)部頻率