基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設計與仿真

課程設計說明書題目基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設計與仿真學院（系）：年級專業(yè)：學號：學生姓名：指導教師：教師職稱：目錄1課程設計的目的………………42課程設計的規(guī)定………………43腦電放大濾波的方案設計……54腦電儀采集電路………………54.1前置放大電路…………54.2高通低通濾波電路………………84.350Hz工頻陷波………104.4電平二級放大電路………………125課程設計總結……………………136參考文獻………………141課程設計的目的腦電信號是與反映大腦神經活動有關的生物電位，由皮層內大量神經元突出后電位同時總和所形成的，是許多神經元共同活動的成果。對它進行檢測可用于神經診療和認知生理心理學研究，以及康復領域?，F在已明確，在頭皮上引導的腦電波振幅，在正常狀況下，從波峰到波底為5~200μV（而從大腦皮層上引導的電位變化可達成1mV）其頻率范疇從不大于1Hz到100Hz，波形因不同的腦部位置而異，并與覺醒和睡眠的水平有關，且存在很大的個體差別，也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的體現。因而腦電信號放大和采集的實現仍是一種難題。而實現腦電信號放大的重要困難在于高增益放大的同時去除多個干擾。腦電圖是一種隨機性的生理信號，其規(guī)律性遠不如心電圖那樣明確，普通將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診療的重要根據，而頻率成分顯得尤為重要。由于大腦活動的程度與腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有親密的關系。普通將正常腦電活動有關的腦電波頻率范疇劃分為五種類型，頻率由低到高，將正常的腦電信號劃分為δ(0.5～3.5Hz),θ波(4～7Hz),α波(8～13Hz),β波(18～30Hz),γ波(31Hz以上)。本課程設計目的是設計一種低功耗腦電儀采集電路。腦電信號采集模塊重要由腦電采集電路、信號放大電路、濾波電路和AD采樣電路構成。腦電信號十分微弱且有較多干擾，因此在電極采集到心電信號之后，先通過放大電路將信號高保真放大，然后再通過濾波電路濾除諸多干擾得到較高信噪比的心電信號，最后進行AD采樣。2設計規(guī)定及注意事項由于腦電信號十分微弱，普通在微幅量級，因此腦電放大器的前置放大器應有較高的規(guī)定，應有較低的輸入噪聲，高增益，高共?？酥票鹊推坪透咻斎胱杩沟纫?guī)定。具體參數規(guī)定以下：增益：500~1000倍共?？酥票龋翰徊淮笥?0dB輸入阻抗：不不大于10兆歐姆同時滿足安全、實用、可靠等特點干擾信號重要來源：1．工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引發(fā)，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號及其諧波構成。幅值普通與ECG峰峰值相稱或更強。2．電極接觸噪聲。電極接觸噪聲是瞬時干擾，來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢測系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的，如病入的運動和振動造成松動；也可能是固定的，檢測系統(tǒng)不停的開關，放大器輸入端連接不好等。3．肌電干擾(EMO)肌電干擾來自于人體的肌肉顫動，肌肉運動產生毫伏級電勢。EMG基線普通在很小電壓范疇內因此普通不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲，重要能量集中在30Hz～300Hz范疇內。另外尚有人為因素、基線漂移、呼吸影響等因素干擾。3腦電放大濾波的方案設計由傳感器采集到的腦電通過前置放大電路進行放大，在通過濾波器進行濾波出去噪聲和干擾，最后得到可用的腦電波形。最紅通過電平提高電路將低電平提高到AD轉換器可用的電壓。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1便攜式腦電儀采集系統(tǒng)的整體框圖其中由于被測信號是微弱的電流信號,放大容易引發(fā)電壓電流的失調,以及零點漂移、自激干擾等現象;尚有背景噪聲、電路噪聲、元器噪聲的影響。上述這些因素對微弱信號放大器的精度、穩(wěn)定度規(guī)定很高,這時普通的運算放大器和儀用放大器已經無法滿足精度的規(guī)定。最后前置放大電路選用集成運算放大器ICL7650。高通濾波重要是濾除電路中的直流成分,如:極化電壓等,本設計中采用的是一階無源高通濾波器,放在隔離級之后,主放大電路之前,來消除直流成分的干擾。低通濾波器是用來通過低頻信號、衰減或克制高頻信號。設計中采用了相頻特性較好的巴特沃斯壓控電壓源式電路(VCVS)。為了使濾波特性更靠近抱負狀況,使用了四階低通濾波電路,由兩個二階濾波電路級串聯而成。最后在通過反向放大得到最后可用的波形。4腦電儀采集電路4.1前置放大電路采用ICL7650芯片進行放大，其內部構造如圖2所示圖2ICL7650內部構造ICL7650是Intersil公司運用動態(tài)校零技術和先進的CMOS工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器。電路設計技術和先進工藝研制成功的第四代集成運算放大器。ICL7650除了含有普通運算放大器的特點和應用范疇外,還含有高增益、高共?？酥票?、失調小和低漂移等特點。特點以下:輸入阻抗:1012Ω;輸入偏置電壓平均溫度系數:0101uV·℃-1;輸入偏置電流:<10pA;開環(huán)增益:≥120dB;轉換速率:215v·us-1;單位增益帶寬:2MHz最后的前置放大電路以下圖3所示。圖3前置放大電路將Vab作為電壓放大器的輸入信號。因此電壓放大器的輸出電壓為:Vo=（1+R3/R2）*Vi事實上,考慮運算放大器不是抱負的,其增益為有限值,則電路的反饋深度為:F=R3/(R2+R3) 根據負反饋放大器的增益計算公式能夠得到該同相放大器的實際增益為:A1=A/（1+AF）。Multisim軟件仿真的圖4，圖5所示。圖4前置放大電路的multisim的仿真電路圖圖5前置放大電路的仿真波形4.2高通和低通濾波電路（1）高通濾波由R1、C1構成,其截止頻率為:f=1/(2π*R1*C1)=0.05Hz其測控電路圖如圖6所示圖6高通濾波電路圖其對應的multisim仿真電路圖，波形圖以下圖7、8、9所示。圖7高通濾波multisim仿真電路圖圖8高通濾波multisim仿真幅度波形圖v圖9高通濾波multisim仿真幅度相位圖（2）由于容抗1/SC與信號頻率f成反比,高頻段時容抗很小,電容串聯時將給高頻信號提供暢通之路,反之低頻時容抗很大,電容串聯時將使低頻信號得到衰減和克制。R2～R5、C2～C5和U1A、U1B構成四階低通濾波器,由于自發(fā)腦電信號的頻率重要都在50Hz下列,為此設計其截止頻率為:其對應的測量電路圖如圖10所示圖10低通濾波電路圖其對應的multisim仿真電路圖，波形圖以下圖11、12、13所示。圖11低通濾波multisim仿真電路圖圖12低通濾波multisim仿真幅度波形圖圖9低通濾波multisim仿真幅度相位圖4.350HZ工頻陷波陷波器是運用壓電效應制成的帶阻濾波器,它的作用是制止或濾掉信號中干擾成分在腦電信號的采集過程中,存在50Hz的工頻干擾,即使前置放大電路對共模干擾含有較強的克制能力,但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進入電路的,對腦電信號造成嚴重的干擾,必須加以濾除。消除工頻干擾的辦法是使用帶阻濾波器,它能夠使在規(guī)定的頻帶內,信號不能通過(或受到很大衰減或克制),而在其它頻率范疇,信號則能順利通過。帶阻濾波器又稱陷波器。運用雙T網絡和運算放大器構成的有源雙T帶阻濾波電路,是作為克制腦電信號測量中的工頻干擾而經常采用的陷波電路構造。圖4為本系統(tǒng)采用的有源雙T網絡陷波電路。在圖4所示的50Hz陷波電路中,陷波器的中心頻率為:f=1/(2π*R1*C1)陷波器參數的擬定首先通過計算,另首先還要通過實驗檢測其濾波效果。本設計中R1=R2=2R3=R,C1=C2=C3/2,根據上式算得f為50.2Hz,實際測得陷波器的中心頻率為50.4Hz,滿足設計規(guī)定。陷波器的品質因素Q,決定濾波器的選擇性,高Q對應較窄的阻帶而低Q對應較寬的阻帶。Q值的計算公式為:Q=1/（4*（1-F））,式中F為電路反饋系數:F=R5/(R4+R5)選用R1=261K,R2=54.9K,計算可得F=0.8,Q=1.25。這種陷波器電路能有效地濾除50Hz工頻產生的干擾,并且Q值的提高確保了有用信號不被衰減。R4=(1-F)R,R5=FRF值取值影響陷波電路的頻帶寬度。F值越大,頻率選擇性越好。但是F值太高,濾波器的性能不穩(wěn)定,當元器件受溫度等環(huán)境影響參數發(fā)生變化時,會使陷波點發(fā)生移動,工頻干擾就得不到有效的克制。普通F取0.8左右。另外雙T網絡中,兩支路的R,C的對稱程度決定陷波點的衰減能達成的最低程度。只有保持R和C的嚴格對稱關系,才干使對應于工頻的信號互相抵消,衰減到零。對于ω0=50Hz,F=0.82,取C=10nF,則R=316K。其對應電路圖以下圖13所示圖1350Hz工頻陷波電路圖其對應的multisim仿真電路圖和波形圖如圖14、15所示圖1450Hz工頻陷波multisim仿真電路圖1550Hz工頻陷波multisim仿真相位圖圖1550Hz工頻陷波multisim仿真相位圖４．4、后級放大采用反相放大器進行后級放大。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。電路圖以下圖增益A2=-R2/R1=-20；參數選擇：取R1=220KΩ，R2=4.7MΩ，平衡電阻為R3=R1//R2=210KΩ；C1=2.2μF其對應的multisim仿真電路以下圖16,17所示圖16后級放大電路multisim仿真圖圖17后級放大電路multisim仿真波形圖由前置放大和此級放大聯合起來選用不同參數即可將采集到的信號放大的500倍以上。5課程設計總結通過這周的課程設計，使我更進一步的理解了測控原理的有關知識，加深了對腦電方面知識的理解，初步達成了設計目的和規(guī)定，同時掌握的multisim仿真軟件的基本應用，提高了自己的實際實踐能力。明白了設計一種有關腦電采集系統(tǒng)應從哪幾方面入手。另外也加強了我收集資料和整頓資料的能力，提高了自己動手分析問題、解決問題的能力。這些都對我后來的工作進行了即時的訓練。并且在設計中碰到了許多問題，在對這些問題的解決上，也是對我個人能力的煅煉。并且這些問題的出現很有價值，是值得重視的,需要在我后來的學習中不停的加以完善和提高。但總的來說,通過這次的設計實驗，進一步地增強了我的實際動手能力使我的理論與實踐能力相結合，從而在整體上提高了本身的學習能力和理論素養(yǎng)。腦電信號作為一種重要的生物電信號,在進行大腦疾病診療的過程中需要對其進行統(tǒng)計,以提供臨床數據和診療的根據,因此腦電信號采集系統(tǒng)含有非常重要的臨床意義。本設計通過前置放大、高通、低通濾波器和50Hz工頻陷波器的合理設計與仿真實現,克服了腦電信號提取中常碰到的某些困難,為腦電信號解決及特性提取提供一定的理論參考和分析。6參考文獻[1]譚郁玲.臨床腦電圖與腦電地形圖學[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,1999.[2]蔡建新,張唯真.生物醫(yī)學電子學[M].北京:北京大學出版社,1997.[3]劉靜.