腦電信號(hào)提取與處理電路設(shè)計(jì)（打印版） - 圖文-

1、 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)中文題目腦電信號(hào)提取與處理電路設(shè)計(jì)英文題目EEG extraction and the design of processing circuit學(xué)生姓名劉明亮班級(jí)信息12班學(xué)號(hào)52101213 學(xué)院通信工程學(xué)院專業(yè)信息工程指導(dǎo)教師陳萬(wàn)忠職稱教授吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計(jì)承諾書本人鄭重承諾:所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文(設(shè)計(jì),是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、調(diào)研等工作基礎(chǔ)上取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文(設(shè)計(jì)不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對(duì)本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體,均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識(shí)到本承諾

2、書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)士學(xué)位論文(設(shè)計(jì)作者簽名:年月日摘要摘要大腦作為人體最為神秘而強(qiáng)大的一個(gè)器官,我們能夠測(cè)到的腦電信號(hào)(EEG是由神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生的頭皮表面電位變化,這種變化形成的生物電信號(hào)能夠在一定程度上反映大腦的情況。在頭部額頭部位或者發(fā)根處能夠獲得的腦電信號(hào)幅度很小,而且生物電信號(hào)的測(cè)量會(huì)受到周圍電磁因素的影響,如空間中的50 Hz工頻噪聲,高頻電子設(shè)備散發(fā)的電磁信號(hào),以及測(cè)量電極的極化電壓都能對(duì)腦電信號(hào)造成較大的影響。所以,可以說(shuō)腦電信號(hào)提取的核心問(wèn)題便是怎樣有效地將淹沒(méi)在噪聲干擾中的腦電信號(hào)剝離出來(lái)。因此,本文做了如下的主要工作:1.設(shè)計(jì)了EEG信號(hào)提取過(guò)程中所需用到的前置放

3、大電路,放大電路以差動(dòng)放大電路為原型進(jìn)行改進(jìn)具有高輸入阻抗的特點(diǎn),能夠有效去除同源干擾,主要用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大處理。2.考慮到腦電信號(hào)本身的低頻低幅度特性并且極易受到外界干擾的情況,在經(jīng)過(guò)前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行基本放大之后,為了避免噪聲信號(hào)也被放大,再以多級(jí)放大電路并濾波的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,設(shè)計(jì)了高、低通濾波器及工頻陷波器,不但能夠放大主要信號(hào)并濾除高、低、工頻噪聲,還保證了信號(hào)的有效性。3.在電路仿真部分,本文將局部電路和整體電路都分別在Multisim12軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),Multisim12上有豐富的虛擬電子設(shè)計(jì)所需的儀表和工具,使電路能夠方便地改進(jìn)和檢測(cè),仿真軟件的應(yīng)用大大方便

4、了電路設(shè)計(jì)以及元器件選型試驗(yàn),提高了設(shè)計(jì)效率。腦電信號(hào)通過(guò)本文如上設(shè)計(jì)的電路處理,能夠做到讓EEG信號(hào)幅度放大,而伴隨的噪聲信號(hào)被濾除或明顯抑制。關(guān)鍵詞腦電信號(hào)放大器濾波器陷波器Multisim仿真ABSTRACTABSTRACTBrain is one of the most important organs of our body , EEG is a change from the surface of our scalp which is caused by the potential changes induced neuronal activity , it is a reflec

5、tion of the state of our brain . When we collect EEG through the scalp ,it is very weak , biological signals are susceptible to environmental interference , 50 Hz frequency noise is widely exist in the space , high-frequency electronic devices emit electromagnetic signals and measuring the polarizat

6、ion of the electrodes can cause a large voltage on EEG . So , we can say the measure of EEG core issue is how to effectively spin-off EEG from the noise . Therefore, this paper made the following main tasks:1. We designed the preamplifier to improve the characteristics of EEG which has a high input

7、impedance , interference can be effectively removed homologous primarily for brain signal amplification process .2 . Taking their low frequency and low EEG amplitude characteristics and vulnerable to outside interference into account ,so ,after preamplifier basic amplifying the signal ,We designed m

8、ulti-stage amplifier circuit and high-and low -pass filter and frequency notch filter for the signal processing , not only to amplify the signal and filter out the main high , low frequency noise, but also ensure the validity of the signal.3. In the circuit emulation part, our circuit simulation exp

9、eriments were conducted on Multisim12 , Multisim12 has virtual instruments and tools for electronic design , the circuit can be easily improved and tested , simulation software greatly facilitate the application of circuit design and component selection trials to improve the design efficiency.When E

10、EG signal was processed by the circuit designed above , it is possible to do so that the EEG signal was amplified, while the accompanying noise signal is filtered or inhibited .Keywords EEG low-pass filter high-pass filter rap filter simulation目錄目錄第1章緒論 (11.1 本課題的研究背景和意義 (11.2 腦電技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀 (21.3 本文的研

11、究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 (4第2章腦電方面基礎(chǔ)知識(shí) (62.1 腦電信號(hào)的形成原理 (62.2 腦電信號(hào)的分類及特點(diǎn) (62.3 腦電信號(hào)提取的電極連接方式 (72.4 實(shí)際測(cè)量安全性考量與設(shè)計(jì) (92.5本章小結(jié) (10第3章EEG信號(hào)提取電路設(shè)計(jì) (113.1 腦電信號(hào)提取電路的基本要求 (113.2 EEG信號(hào)測(cè)量電路總體設(shè)計(jì) (113.3 電路中各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)及Multisim仿真 (123.3.1 EEG電極選取與放置 (133.3.2 前置放大電路設(shè)計(jì)及仿真 (143.3.3 高通濾波電路的設(shè)計(jì)和仿真 (203.3.4 EEG50Hz工頻干擾的去除 (213.3.5 低通濾波器設(shè)計(jì)和仿

12、真 (263.3.6 后級(jí)放大電路 (293.3.7 腦電信號(hào)提取電路整體仿真實(shí)驗(yàn) (303.4本章小結(jié) (36第4章總結(jié)與展望 (374.1 本文工作總結(jié) (374.2 未來(lái)研究工作的展望 (37致謝 (39參考文獻(xiàn) (39附錄 (43第1章緒論1.1 本課題的研究背景和意義近些年來(lái)各方面工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的提高,使得人們不再只是著眼于基本的物質(zhì)生活需求,而對(duì)于自身的生活質(zhì)量以及家人的身體健康問(wèn)題投入更多的關(guān)心。在人體健康方面,作為整個(gè)人體的行動(dòng)指揮部大腦健康也自然成為人們健康檢查項(xiàng)目中不可缺少的一個(gè)項(xiàng)目。但是,作為人體最為神秘而又復(fù)雜的神經(jīng)中樞器官,以及其處于頭部重要部位且全封閉的特殊性,

13、我們不能直接觀測(cè)或監(jiān)控并分析大腦的活動(dòng)狀況,這就要依靠一定的科學(xué)技術(shù)和電子檢測(cè)手段。計(jì)算機(jī)電子仿真技術(shù)以及電子制造工藝水平的突飛猛進(jìn)作為科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展中的一個(gè)典型推動(dòng)力,使人類監(jiān)測(cè)并分析大腦活動(dòng)狀態(tài)的期望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)于大腦活動(dòng)時(shí)大腦皮層部位狀況的研究,人們發(fā)現(xiàn)有一種自發(fā)的電活動(dòng)十分高頻率地出現(xiàn)于人類的大腦皮層中,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究和理論總結(jié),人們又發(fā)現(xiàn)正是這種時(shí)常存在于大腦皮層中的電活動(dòng)控制著人體的各種生理機(jī)能。這種電活動(dòng)就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的腦電信號(hào),腦電信號(hào)是隨時(shí)間變化而不斷變化的一種生物電位變化信號(hào),用特制的電極置于頭部可以將腦電信號(hào)進(jìn)行獲取,腦電圖就是把上一步驟采集到的信號(hào)記錄下

14、來(lái)形成的信號(hào)波圖(也被簡(jiǎn)稱為EEG1。腦電活動(dòng)是大腦生理功能的基礎(chǔ),而腦電圖記錄下的腦電信號(hào)波圖便能夠很反映人類大腦自發(fā)的電位活動(dòng),進(jìn)而可以由此推斷并分析大腦的生理健康狀況。這種記錄人腦自發(fā)電位變化的方式和手段在臨床醫(yī)學(xué)的診斷上具有十分重大的意義,因?yàn)槭褂脵z測(cè)人腦電信號(hào)的方式就可以很方便的對(duì)人體的大腦以及神經(jīng)系統(tǒng)可能患上的疾病進(jìn)行及時(shí)的檢查診斷和治療。因此,人類腦電信號(hào)的研究對(duì)于今后的腦控科技進(jìn)步方面是急需的,也是對(duì)于EEG應(yīng)用拓展這一新技術(shù)領(lǐng)域的探索。除了在身體健康檢查方面,腦電信號(hào)有著十分重要的作用,在未來(lái)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展上面,它也是具有非常深遠(yuǎn)的潛力的,腦電信號(hào)中包含著大腦發(fā)出的各種指令信

15、息,可以說(shuō)是大腦思維的一種反應(yīng),對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行精密地檢測(cè)獲取,進(jìn)行詳細(xì)地算法分析是有可能從中破譯出人類思維意圖的,世界各國(guó)的相關(guān)研究所也正此方向上做著不懈的努力。腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)現(xiàn)對(duì)于眾多殘障人士來(lái)說(shuō)是一個(gè)希望和福音,因?yàn)殡S著仿生技術(shù)的發(fā)展,人造已經(jīng)基本可以完成人類原有肢體可完成的基本動(dòng)作,但是假肢的智能化和可操控性并不十分理想。有了腦機(jī)接口技術(shù),人們就可以通過(guò)“大腦想一想”的方式,透過(guò)腦電波發(fā)送操控命令來(lái)控制機(jī)械肢體的動(dòng)作,這使得肢體障礙的人們能夠更加方便地工作和生活。推而廣之,以腦電信號(hào)為基礎(chǔ)的腦機(jī)接口技術(shù),還可以有非常廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,比如其非侵入式頭戴式腦電控制設(shè)備的誕生,可以使人們的

16、生活更加智能化;接入互聯(lián)網(wǎng),將設(shè)備檢測(cè)到的大腦健康信息傳送到醫(yī)院,即使不親身前往,也能做健康檢查,做到對(duì)自己的健康狀況了如指掌;也可以應(yīng)用到電子游戲領(lǐng)域,以及電影特技特效制作方面,將其優(yōu)點(diǎn)與腦電可操控性移植到游戲內(nèi),也能大幅度增強(qiáng)人們?cè)谟螒蛑械娜の缎?。這些方向都有著十分光明的前景,所以,當(dāng)下對(duì)于腦電信號(hào)的研究是十分迫切和必要的。1.2 腦電技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀掀開大腦功能或者工作原理的神秘面紗,是人們多年來(lái)的期盼和宏愿,這不僅是因?yàn)槿祟惼惹邢胍綄の覀冏约荷眢w活動(dòng)所蘊(yùn)含的本質(zhì)和深層原理,則可能實(shí)現(xiàn)有目的地、有計(jì)劃地、有方法地慢慢提高或者改善我們控制自身思想活動(dòng)或智力活動(dòng)的能力,并且進(jìn)一步了還能深

17、入了解到人類智能的根本,這對(duì)于目前人工智能領(lǐng)域的研究發(fā)展也有極大的推動(dòng)作用。在十八世紀(jì)九十年代年加瓦尼發(fā)現(xiàn)了肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電活動(dòng)的現(xiàn)象,這也是人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象;隨后的十九世紀(jì)七十年代中期年,英國(guó)的一位科學(xué)家卡頓發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象,他發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物的大腦進(jìn)行活動(dòng)的時(shí)候也能檢測(cè)到電信號(hào)的存在,并將這種記錄了下來(lái);20世紀(jì)20年代末,又一位英國(guó)科學(xué)家漢斯伯格首先發(fā)表了對(duì)人類的腦電波的實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告,但卻因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電子制造剛剛起步,制造的產(chǎn)品也比較簡(jiǎn)陋,伯格先生當(dāng)年使用的放大器也談不上精準(zhǔn),所以還是有相當(dāng)一部分的讀者在讀過(guò)他的腦電波研究報(bào)告以后持懷疑態(tài)度的2,而后又經(jīng)過(guò)了五年,當(dāng)時(shí)的科學(xué)家艾德里安

18、和馬修斯確經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)論證終于驗(yàn)證了漢斯伯格的研究報(bào)告,從此腦電圖波存在的科學(xué)性終于得到了世界學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。經(jīng)過(guò)短暫兩年時(shí)間的發(fā)展,自二十世紀(jì)四十年代往后,腦電圖這一新興學(xué)科如雨后春筍般在大范圍的傳播和發(fā)展,尤其是在醫(yī)學(xué)方面的研究卓有成效。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的工藝不斷提高,腦電儀器所使用到的基本元器件的性能和精度得到很大提高,元器件的大小卻能降低,也使得腦電設(shè)備的大小不斷降低甚至達(dá)到可隨身攜帶的都是可以實(shí)現(xiàn)的。一、EEG的提取方式和標(biāo)準(zhǔn)多種多樣,不利于世界各國(guó)間的學(xué)術(shù)交流,因此,人們制定了一套記錄EEG的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1020系統(tǒng)用來(lái)安放電極,對(duì)于EEG的研究逐漸深入,技術(shù)也不斷提高,人們也開始發(fā)

19、現(xiàn)尋常的16導(dǎo)腦電圖所能提供的信息量無(wú)法滿足目的需要,因此腦電圖儀再次升級(jí),32導(dǎo)、64導(dǎo)、128導(dǎo)、256導(dǎo)的腦電儀器設(shè)備不斷涌出,記錄腦電的方式也由普通的紙筆記錄升級(jí)為數(shù)字記錄,計(jì)算機(jī)分析技術(shù)也被同步應(yīng)用到對(duì)于EEG的研究當(dāng)中3。在EEG的研究上,美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家,目前走在該項(xiàng)技術(shù)的世界前列,他們的設(shè)備精度高,算法成熟高效,已經(jīng)有較多一部分研究已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室,服務(wù)于一些普通人的生活。腦電以及無(wú)線遙測(cè)腦電技術(shù)在19601970年代就已經(jīng)被開發(fā)主來(lái)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,其民用級(jí)別產(chǎn)品也在九十年代后期發(fā)展起來(lái)3。此方面較為突出的研究代表應(yīng)是20世紀(jì)70年代在美國(guó)的Jacques等人做的關(guān)于腦電信

20、號(hào)驅(qū)動(dòng)的較為簡(jiǎn)易的通信系統(tǒng),達(dá)到了實(shí)現(xiàn)直接通過(guò)人腦來(lái)控制電腦鼠標(biāo)做二維平面運(yùn)動(dòng)的功能,這是腦電信號(hào)的應(yīng)用型研究取得飛速發(fā)展的一個(gè)具體表現(xiàn)。隨著技術(shù)不斷發(fā)展,關(guān)于BCI的研究在世界各國(guó)掀起一陣狂潮,大家紛紛投入到這個(gè)新興項(xiàng)目的研究當(dāng)中,所以在這一時(shí)期,BCI的研究水平和規(guī)模都有了較為迅速的提高,從上世紀(jì)九十年代中期開始低于六個(gè)研究小組,短短五年左右就已經(jīng)發(fā)展成超過(guò)了二十個(gè)。而如今,世界各國(guó)專門從事腦電EEG領(lǐng)域的研究小組數(shù)量已經(jīng)突破了百位。經(jīng)過(guò)人們不懈的鉆研探索,各種應(yīng)用腦電信號(hào)為主要條件制造的新產(chǎn)品新系統(tǒng)層出不窮。而這些系統(tǒng)的原理,都是通過(guò)使用從頭部皮層采集的腦電信號(hào)或者大腦皮層的神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)

21、過(guò)放大并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接入計(jì)算機(jī)來(lái),以此作為行為命令,指揮電腦鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng),選擇文字和圖片,并且還可以用來(lái)控制神經(jīng)裝置或者操控飛行模擬機(jī)等。在我國(guó),自從上個(gè)世紀(jì)八十年代末期,我們才開始自行研制并順利地把計(jì)算機(jī)分析技術(shù)應(yīng)用于EEG的研究當(dāng)中,就是把EEG信號(hào)通過(guò)前置放大器采集,再進(jìn)行濾波處理最后經(jīng)過(guò)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理之后的信號(hào)便能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別,從而利用計(jì)算機(jī)分析技術(shù)對(duì)信號(hào)加以處理。九十年代初期,我國(guó)市場(chǎng)上便開始出現(xiàn)一些級(jí)計(jì)算機(jī)為主體,加上前置信號(hào)放大器的數(shù)字化EEG處理儀器,類似于這樣的組合也是當(dāng)前的EEG設(shè)備的主要特點(diǎn)。不過(guò),當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的前置放大器比較粗糙功能也比較簡(jiǎn)單

22、,無(wú)法替代純硬件的腦電圖儀。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展,現(xiàn)在的電子制造工藝飛速提高,前置放大器的性能大幅提升,功能也越來(lái)越豐富。以此為基礎(chǔ),越來(lái)越多的不同型號(hào)的數(shù)字化腦電圖儀器在市場(chǎng)上涌現(xiàn)出來(lái),較為具有代表性的公司有:北京的新拓公司、上海諾誠(chéng)電氣有限公司、太陽(yáng)公司等的數(shù)字化EEG檢測(cè)設(shè)備。新的產(chǎn)品傳承了曾經(jīng)EEG圖儀的一般功能,并在此基礎(chǔ)上順應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步并加以利用,用計(jì)算機(jī)代替人力的方式處理信號(hào),從而大大提高了對(duì)于EEG信號(hào)的處理效率。1.3 本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排一般而言,腦電信號(hào)的幅度只在微伏級(jí),約2100V ,頻率也很低,主要信號(hào)只在0.545Hz 范圍4,由于腦電采集系統(tǒng)的硬件自身因素

23、和外界條件影響,測(cè)得的腦電信號(hào)會(huì)受到內(nèi)外因素的很大干擾。比如電子測(cè)量當(dāng)中普遍存在的強(qiáng)烈的工頻干擾,還有在對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大的時(shí)候,測(cè)量電極產(chǎn)生的極化電壓以及其他高頻干擾信號(hào)也會(huì)隨之被放大5。本文的主要任務(wù)就是針對(duì)這些干擾信號(hào)設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案,設(shè)計(jì)一個(gè)腦電信號(hào)提取電路以減少噪聲及其他干擾對(duì)于主體EEG 信號(hào)的干擾,并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大,能夠在示波器上進(jìn)行觀察其變化。本文設(shè)計(jì)的腦電信號(hào)提取電路,主要由下面的部分構(gòu)成:圖1-1 電路設(shè)計(jì)框架圖(1查閱前人資料,根據(jù)大腦腦電信號(hào)測(cè)量的需求,選取合適的電極以及導(dǎo)聯(lián)方法;(2設(shè)計(jì)并選取合適的放大器,組成前置級(jí)放大電路并對(duì)放大電路的放大性能進(jìn)行Mult

24、isim 軟件仿真,并驗(yàn)查放大參數(shù); (3設(shè)計(jì)了高低通濾波器,用以濾除采集腦電信號(hào)時(shí)混入的高頻噪聲干擾和低頻直流分量,進(jìn)行Multisim 軟件仿真,驗(yàn)證濾波器的參數(shù)性能;(4設(shè)計(jì)了50Hz 工頻陷波器,用以去除測(cè)量電路中不可避免地混入的工頻噪聲干擾6,然后對(duì)工頻陷波器進(jìn)行電路仿真,確定其參數(shù)性能達(dá)到設(shè)計(jì)需求;(5設(shè)計(jì)后級(jí)放大電路,對(duì)前面采集并預(yù)處理過(guò)的腦電信號(hào)進(jìn)行再次放大,以達(dá)到能被示波器識(shí)別到的程度;(6將設(shè)計(jì)的每一部分電路進(jìn)行連接,模擬一個(gè)初始的與腦電信號(hào)相近幅度和頻率的信號(hào)接入電路,檢測(cè)電路整體的功能,驗(yàn)證其整體功能。EEG 采 集 電 極 前 置 放 大 電 路 高 通 濾 波 器

25、50 Hz 陷 波 器 低 通 濾 波 器 后 級(jí) 放 大 電 路論文章節(jié)內(nèi)容安排如下所示:第一章緒論,主要介紹一下論文的研究背景和研究意義,以及腦電信號(hào)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并簡(jiǎn)略闡述了一下畢設(shè)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。第二章主要研究了腦點(diǎn)信號(hào)的產(chǎn)生原理極其特點(diǎn),并對(duì)幾個(gè)典型的腦電信號(hào)進(jìn)行頻率和幅度的比較分析,以及在不同狀態(tài)下產(chǎn)生的腦電信號(hào)與狀態(tài)的聯(lián)系。第三章主要介紹了腦電信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)要求,以及各個(gè)元器件的選擇及在Multisim軟件中的仿真分析。第四章對(duì)論文做了一個(gè)總結(jié),并對(duì)后續(xù)工作以及研究遠(yuǎn)景進(jìn)行展望。第2章腦電方面基礎(chǔ)知識(shí)2.1 腦電信號(hào)的形成原理大腦是人體的神經(jīng)中樞,它處理信息的能力

26、超級(jí)強(qiáng)大,但卻離不開組成它的一個(gè)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的辛勤工作,神經(jīng)細(xì)胞也就是神經(jīng)元7。神經(jīng)元是比較特異的細(xì)胞,它的外形不同于一般的組織細(xì)胞,有著很長(zhǎng)的胞體凸起以及含包著核信息的細(xì)胞胞體。神經(jīng)元的胞體能夠生出大量樹枝狀突起,這些樹狀突起還能夠繼續(xù)向下級(jí)分散并細(xì)化,在每個(gè)突起的末端分支上還會(huì)有更小的尖細(xì)突起,這便是與其他神經(jīng)元進(jìn)行有機(jī)連接的連接點(diǎn)。從功能意義上來(lái)看,樹突是神經(jīng)信息的受體,信息經(jīng)過(guò)胞體綜合然后傳向下一級(jí)8。腦中的電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度才可以在頭部測(cè)量出,這就使得EEG的形成應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)條件:(1數(shù)量眾多的居于大腦表面的神經(jīng)元按照一定的規(guī)律排列在一起形成了大腦皮層,從大腦皮層記錄到的電位是眾多神

27、經(jīng)元活動(dòng)所形成的電場(chǎng)總和,所以有眾多神經(jīng)元同時(shí)興奮或者同時(shí)抑制的結(jié)果才可以形成節(jié)律性的腦電信號(hào),隨著同步化程度的增高腦電信號(hào)幅度也會(huì)隨之增高,否則會(huì)減小,二者成正相關(guān)關(guān)系;(2每個(gè)神經(jīng)元的朝向位置應(yīng)該基本朝著同一方向,這樣是為了保障神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)方向也能保持一致,使得產(chǎn)生的電場(chǎng)不會(huì)因?yàn)橄嗷プ饔枚?否則將無(wú)法形成足夠強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度9。2.2 腦電信號(hào)的分類及特點(diǎn)測(cè)量電極在頭部表皮測(cè)得的電位變化被稱為腦電信號(hào),而使用侵入式的電極(即通過(guò)手術(shù)方式將頭骨開口,伸入電極置于大腦皮層,電極在頭骨內(nèi)能夠測(cè)得的大腦皮層表面的電位變化,我們將這種方式測(cè)量得到的信號(hào)叫做皮層腦電,從原理分析上可以看出,頭皮腦電信號(hào)

28、就是大腦皮層腦電經(jīng)過(guò)頭部組織形成的濾波器進(jìn)行低通濾波后的腦電信號(hào)。對(duì)于腦電波的形成原理,流傳著各種不同的說(shuō)法,有一種較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,僅僅改變某一個(gè)細(xì)胞的位于突觸后面的電位,是不會(huì)影響到皮層表面的電位的10。又經(jīng)過(guò)了較為深入的研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),人們開始發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象,那就是腦電波的形成不僅僅與大腦皮層的電位活動(dòng)相關(guān),還與大腦更為深層的部位的活動(dòng)有著十分緊密的聯(lián)系。根據(jù)腦電波的不同特點(diǎn)和出現(xiàn)情況,下面用表格1(見(jiàn)附錄來(lái)介紹以下常見(jiàn)的一些腦電信號(hào)及其波形特征: 圖2-1 幾個(gè)典型腦電信號(hào)波形圖2.3 腦電信號(hào)提取的電極連接方式根據(jù)測(cè)量腦電信號(hào)的電極貼放方式的不同,EEG圖譜也有幾種不同的分類1

29、1,它們分別是頭皮EEG、深部EEG和皮層EEG等。但是因?yàn)槠覧EG、深部EEG都是要以手術(shù)的方式打開頭骨或者在頭骨處鉆孔,然后把測(cè)量電極探入頭顱內(nèi)才能測(cè)量到腦電信號(hào)的,一種侵入式的對(duì)人體會(huì)造成損傷的測(cè)量方式,因?yàn)檫@樣的原因也被一般的患者和家屬所擔(dān)心,所以一般醫(yī)院在對(duì)病患進(jìn)行常規(guī)EEG檢查的時(shí)候,都會(huì)采用EEG頭皮外檢測(cè)的檢查方法。我們常說(shuō)的頭皮EEG其實(shí)就是是在我們的大腦內(nèi)部時(shí)刻進(jìn)行著的神經(jīng)元活動(dòng)所會(huì)釋放的電信號(hào)引起,這些電信號(hào)總體產(chǎn)生的總電場(chǎng)然后再經(jīng)過(guò)頭部人體組織傳導(dǎo)后在頭皮上形成的整體電位。EEG信號(hào)的提取通常是使用特制的生物電信號(hào)傳感器置在頭皮上,然后從頭上進(jìn)行直接測(cè)量。因?yàn)槟X電信號(hào)

30、的信號(hào)幅度十分微小,只有一伏的百萬(wàn)分之一大小,為了完成對(duì)腦電信號(hào)的特性分析、通過(guò)一定的方式把它的特點(diǎn)記錄下來(lái)、再通過(guò)一定的方法把它再次還原呈現(xiàn),第一步就應(yīng)該將從人體頭皮提取的微弱的原始生物電信號(hào)通過(guò)放大器擴(kuò)大到一定的強(qiáng)度,這樣才能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的幅值識(shí)別范圍,可以把原始的模擬型腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以后就能使用計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析和處理,又因?yàn)槟X電信號(hào)的采集不能始終在屏蔽室里進(jìn)行,這就會(huì)不可避免的受到來(lái)自外部環(huán)境的一些干擾,故而需要對(duì)EEG信號(hào)的放大裝置進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的情況,較為常用的做法是使用差分輸入的的放大器來(lái)進(jìn)行放大,因?yàn)槿梭w腦電信號(hào)測(cè)量時(shí)有較高的內(nèi)阻,所以這

31、種放大器還要具有很高的輸入阻抗以及低噪聲的特點(diǎn)3,后續(xù)部分可采用高低通濾波、陷波去除工頻干擾等方法提高電路的共模抑制比的等方法以提取較為理想保真度較高的腦電信號(hào)。從連接方式上進(jìn)行分類,腦電圖機(jī)的導(dǎo)聯(lián)方式可以有以下兩種分類方法:【1】單極導(dǎo)聯(lián)法就是把主要測(cè)量腦電信號(hào)的測(cè)量電極放在頭部測(cè)量點(diǎn)上,然后通過(guò)帶有屏蔽層的導(dǎo)線連接到前置放大器的輸入口上12;同時(shí)把無(wú)關(guān)電極(無(wú)關(guān)電極的鏈接可以用一個(gè)小夾子,方便固定且不易脫落置于耳垂,再通過(guò)帶有屏蔽層的導(dǎo)線接入放大器的另一端。其基本連接方式如圖2-2所示 圖2-2 單極導(dǎo)聯(lián)基本連接圖【2】雙極導(dǎo)聯(lián)法就是不使用連接耳垂或鼻尖等其他無(wú)明顯生物腦電信號(hào)反應(yīng)的部位作

32、參考電極,而是將同一放大系統(tǒng)的兩個(gè)輸入端都連接到頭皮上的較為接近的點(diǎn)作測(cè)量點(diǎn)的方法。這種連接方法使得信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器以后兩端信號(hào)作差,得到的結(jié)果的是兩個(gè)電極部位測(cè)量點(diǎn)間EEG 信號(hào)差異,也就是說(shuō)若兩電極原本在各自做有參考電極點(diǎn)測(cè)量時(shí)顯示的結(jié)果基本相同,那么他們?cè)诠餐鳛橥粋€(gè)放大器的兩個(gè)輸入信號(hào)時(shí)記錄到的電位差異便為零,所以能夠很大程度地降低干還能夠避免無(wú)關(guān)電極影響造成的誤差,這是雙極導(dǎo)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。然而,若是雙極導(dǎo)聯(lián)的兩個(gè)輸入信號(hào)初始端的測(cè)量電極間距過(guò)于接近,那么從距離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn)位置傳遞而來(lái)的腦電信號(hào)就會(huì)被兩個(gè)測(cè)量電極,因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn),不同位置較為細(xì)節(jié)的差異損耗掉,傳到電極接近位置時(shí)信號(hào)被記錄,但是這

33、兩個(gè)信號(hào)的特點(diǎn)會(huì)基本相仿,所以也會(huì)造成結(jié)做差比較時(shí)的差值極小且結(jié)果不能穩(wěn)定,因此兩電極間的距離應(yīng)保持在一定距離以上,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出一個(gè)較好的經(jīng)驗(yàn),0.03m0.06m的間距是合適的,而這種測(cè)量點(diǎn)間的距離要求也成為了雙極導(dǎo)聯(lián)的缺點(diǎn)。 圖2-3 雙極導(dǎo)聯(lián)基本連接圖2.4 實(shí)際測(cè)量安全性考量與設(shè)計(jì)本文所研究的腦電信號(hào)提取的電路是針對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量和信號(hào)數(shù)據(jù)采集的,因此所選器件及所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)當(dāng)滿足實(shí)現(xiàn)保障被測(cè)者身體安全的前提條件下,再來(lái)滿足測(cè)量性能和精度上的要求。要做到測(cè)量對(duì)人體安全且沒(méi)有副作用,就選擇頭皮腦電圖的測(cè)量方法,這種測(cè)量方法是完全非侵入式的,對(duì)人體沒(méi)有任何損害,也不會(huì)對(duì)人體造成創(chuàng)傷

34、感染,因此是極佳的選擇方案。選取測(cè)量生物電信號(hào)特制的電極放置在頭皮進(jìn)行作為傳感器作為原始腦電信號(hào)的提取,再把這最初得到的信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大電路的放大和濾波去噪處理便可以得到我們所需要的腦電信號(hào)。另外,腦電設(shè)備從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造各方面的出發(fā)點(diǎn)都是要以人為本,因?yàn)樽罱K都是要用于服務(wù)人群的,實(shí)驗(yàn)安全方面考慮的再精細(xì)都不為過(guò),所以整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)考慮使用電池供電,既可以保障整個(gè)的電路的安全性,避免人體遭受過(guò)大電壓的意外電擊,也能降低整個(gè)電路自身產(chǎn)生的交流信號(hào)干擾。2.5本章小結(jié)本章首先介紹了腦電信號(hào)的來(lái)源,并對(duì)腦電信號(hào)的產(chǎn)生原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述和分析,又對(duì)常見(jiàn)的幾種腦電信號(hào)的特征以表格的形式進(jìn)行分析和總結(jié),為

35、接下來(lái)腦電信號(hào)提取電路的設(shè)計(jì)提供了依據(jù),然后又對(duì)腦電信號(hào)測(cè)量的電極導(dǎo)聯(lián)方式作了介紹,這是后面電路設(shè)計(jì)部分的基礎(chǔ)。第3章EEG信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)3.1 腦電信號(hào)提取電路的基本要求前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹過(guò),腦電信號(hào)的特點(diǎn)大概可以總結(jié)為三個(gè):一是低頻,因?yàn)槟X電信號(hào)的主要頻率范圍在0.5-40Hz;二是微小,EEG信號(hào)的幅度一般在2-150V,約是1V的百萬(wàn)分之一;三是EEG信號(hào)的測(cè)量是從皮膚上測(cè)得,因?yàn)轭^皮、毛發(fā)、血液等不同人體組織間隔在信號(hào)源與測(cè)量電極中間,會(huì)造成信號(hào)源阻抗高的情況,可能的干擾有許多,比如通過(guò)人體的干擾電流、通過(guò)放大器的干擾電流、通過(guò)信號(hào)測(cè)量線的干擾電流、電磁引起的干擾、高頻噪聲的干擾

36、、共模干擾等。所以整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有生物電極傳感器用以獲取初始的頭皮腦電信號(hào),然后因?yàn)槟X電信號(hào)過(guò)于微小,應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行超大倍數(shù)的放大,為了避免放大引起的失真以及能夠?qū)烊氲脑肼曅盘?hào)進(jìn)行處理,系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用多級(jí)放大系統(tǒng),并在適當(dāng)位置添加高低通濾波器以及陷波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)處理。腦電信號(hào)只有100V左右,所以電路的整體放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)達(dá)到15000-20000倍,才能使信號(hào)具有較好的可觀測(cè)性。由于頭皮腦電是具有較高內(nèi)阻的信號(hào)源,故而放大器應(yīng)當(dāng)選擇具有較高輸入阻抗的放大器。而且各電路元器件應(yīng)當(dāng)具有較低的功耗,這樣才有利于長(zhǎng)期的工作。3.2 EEG信號(hào)測(cè)量電路總體設(shè)計(jì)人體頭皮腦電信號(hào)是一種非常微弱的人體生物

37、電信號(hào),其幅度十分微小,一般也只在數(shù)微伏至一百五十微伏之間,頻率一般在0.5-40Hz范圍。又因?yàn)槿梭w包含骨骼、肌肉、體液等多種組織成分,是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的不良導(dǎo)體,所以能夠捕捉到的有用腦電信號(hào)的通常是在30赫茲以下的頻率范圍,而且通過(guò)頭皮腦電電極所提取到的腦電信號(hào)峰峰值一般也只在微伏級(jí)。所以,應(yīng)當(dāng)對(duì)測(cè)量所用的腦電電極進(jìn)行篩選,并且能捕捉到的原始腦電信號(hào)進(jìn)行放大處理,并進(jìn)行濾波和去噪,這樣才能獲得良好的腦電信號(hào)為后續(xù)的信號(hào)分析和處理提供較高的可靠性。本文所設(shè)計(jì)的腦電信號(hào)提取電路主要由以的幾個(gè)部分構(gòu)成:1.頭皮腦電信號(hào)采集電極,把提取到的腦電信號(hào)輸送到前置放大器的輸入端,前置放大器的初級(jí)放大電路采

38、用同相差動(dòng)放大,輸入端一端連接活動(dòng)電極放置在頭皮,另一端作為參考電極放置在耳垂處,經(jīng)過(guò)初級(jí)放大之后整體放大倍數(shù)約為2000倍;2.再進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,首先接入一個(gè)高通濾波器,其截止頻率大約設(shè)為0.3Hz (因?yàn)槟X電信號(hào)一般在0.5Hz 以上,高通濾波器能夠保障讓有用的腦電信號(hào)通過(guò),濾除低頻直流分量造成的干擾;3.由于測(cè)量過(guò)程中不可避免的會(huì)混入50Hz 工頻干擾,所以本文設(shè)計(jì)了一個(gè)50Hz 陷波器,用以濾除工頻干擾,并在之后連接一個(gè)低通濾波器將濾除除了50Hz 以外的100Hz 、150Hz 等頻率的干擾,他們的幅值比50Hz 工頻干擾小,但是前面經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的放大數(shù)千倍,干擾依然會(huì)十分嚴(yán)重

39、,所以不能忽視;4.設(shè)計(jì)一個(gè)后級(jí)放大電路,因?yàn)橹挥星懊娴那爸梅糯箅娐?對(duì)于信號(hào)的放大強(qiáng)度是不能滿足要求的,再添加一個(gè)后級(jí)放大電路是有必要的。整個(gè)電路的各個(gè)子電路的結(jié)構(gòu)示意圖如下:圖3-1 模擬腦電信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)圖3.3 電路中各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)及Multisim 仿真Multisim 軟件介紹:Multisim 是美國(guó)國(guó)家儀器(NI 有限公司推出的以Windows 為基礎(chǔ)的仿真工具,適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。程師們可以使用Multisim 交互式地搭建電路原理圖,并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim 提

40、煉了SPICE 仿真的復(fù)雜內(nèi)容,這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE 技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì),這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim 和虛擬儀器技術(shù),PCB 設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理EEG 采 集 電 極 前 置 放 大 電 路 高 通 濾 波 器 50 Hz 陷 波 器 低 通 濾 波 器 后 級(jí) 放 大 電 路論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 圖3-2 Multisim軟件截圖3.3.1 EEG電極選取與放置人體生物電信號(hào)的采集必須應(yīng)用到電極,有了電極的引導(dǎo)才能把電信號(hào)從人體中成功提取,但是因?yàn)榇竽X的腦電信號(hào)是一

41、種十分微弱的低頻生物電信號(hào),特別容易受到外界電磁環(huán)境的影響以及干擾,所以對(duì)于電極的種類選取還有位置放置都有甚為重要的影響,電極的種類臨床用于常規(guī)腦電圖記錄的電極有一下幾種:(1柱狀電極:又稱橋式電極,電極一端垂直與頭皮接觸,另一端連接一個(gè)直角支架形成橋式結(jié)構(gòu),用特制的彈性膠帶電極帽固定在橋的橫梁上。常用于短程的普通腦電圖記錄,優(yōu)點(diǎn)是安裝方便快捷,缺點(diǎn)是病人只能取安靜座位記錄,稍有活動(dòng)電極就容易脫落。(2盤狀電極:為直徑7mm左右的圓盤形電極,接觸頭皮一側(cè)的中間向外凹陷并有孔,用于注入導(dǎo)電膏。如做短時(shí)間記錄,可用導(dǎo)電膏固定電極,但很容意脫落。也可用火棉膠將電極固定在頭皮,優(yōu)點(diǎn)是牢固,不易脫落,病

42、人可以臥位記錄,適合于睡眠記錄,長(zhǎng)城記錄及對(duì)不合作的兒童記錄;缺點(diǎn)是安裝及取下電極均費(fèi)時(shí)費(fèi)力。(3針電極:用針尖裸露而針體絕緣的銀針刺入頭皮記錄,雖然操作簡(jiǎn)單且電阻小,但給病人造成疼痛,并容易引起感染。因此在常規(guī)頭皮腦電圖記錄中不提倡使用。偶可用于昏迷病人的頭皮記錄,此時(shí)病人疼痛感覺(jué)多減退或消失,且在監(jiān)護(hù)室內(nèi)有各種儀器的干擾,需要在最短時(shí)間內(nèi)獲得有效記錄,使用時(shí)應(yīng)注意前后平行排列針電極,排列混亂可造成認(rèn)為的波幅不對(duì)稱和波形畸變13。(4耳電極:常用彈簧夾固定的盤狀電極或螺旋式電極,將電極固定在耳垂。也可用膠布直接將盤狀電極固定在耳垂。(5特殊部位的電極:如蝶骨電極或眶頂電極。短視記錄可采用針電

43、極刺入有關(guān)部位;如需長(zhǎng)程監(jiān)測(cè),可使用前端呈小球型的銀質(zhì)軟電極,連接非常細(xì)而軟的導(dǎo)線,導(dǎo)線上套以硅膠管,局部麻醉后用套管針?biāo)椭劣涗浀牟课?然后抽出導(dǎo)管,用無(wú)菌紗布和膠帶固定在頰部。頭皮與電極之間相互移動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生電荷引起干擾,解決方法是使用銀-氯化銀電極,并在頭皮與電極之間使用膠凍狀的導(dǎo)電膏或生理鹽水等導(dǎo)電物質(zhì),減少電極與頭皮的摩擦。綜上所述,還為了防止可能出現(xiàn)的基線漂移問(wèn)題,本文選取柱狀銀AgCl材質(zhì)制成的電極和耳電極作為單極導(dǎo)聯(lián)法的兩個(gè)輸入電極,用以提高極化電壓的穩(wěn)定性,位置選取頭部額頭位置沒(méi)有頭發(fā)干擾的位置,能夠較為牢固地固定電極并獲得較為穩(wěn)定的腦電信號(hào)。3.3.2 前置放大電路設(shè)計(jì)及仿真

44、對(duì)比心電信號(hào)分析可以知道,腦電信號(hào)比心電信號(hào)更加微弱,所以說(shuō)腦電信號(hào)有著相當(dāng)高的信號(hào)源阻抗14,所以在選取放大器的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮它的阻抗方面的特性能否滿足要求,在我們的電路設(shè)計(jì)中需要放大器有高輸入阻抗3。在此電路中我們采用的是鍍銀電極將人體內(nèi)原本的離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為電子導(dǎo)電,也有一定的弊端就是電極的一特性也會(huì)對(duì)放大器的共模抑制比、噪聲、以及頻率失真等問(wèn)題造成影響。金屬片在接觸人體皮膚后,金屬電極與皮膚下層的組織液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),在測(cè)量電極接觸人體后,金屬電極和人體之間帶電粒子會(huì)有一定的定向運(yùn)動(dòng),從而會(huì)產(chǎn)生電位差,這種方式產(chǎn)生的電位差很小,但是相對(duì)于微伏級(jí)的腦電信號(hào)來(lái)說(shuō)這種差值已經(jīng)是腦電信號(hào)幾百上千倍

45、,所以這種來(lái)自于極化電壓間的干擾在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須要考慮將其去除。在測(cè)量時(shí),人體所帶有的工頻干擾以及其他生物電信號(hào)如肌電信號(hào),眼電信號(hào),心電信號(hào)等也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成不小的影響,因此在設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí),本文選擇差動(dòng)放大電路。在選取放大器時(shí),共模抑制比(CMRR是該器件的主要指標(biāo),對(duì)于要測(cè)量的腦電信號(hào)來(lái)講,要求放大器的CMRR應(yīng)當(dāng)在120dB以上。綜上,我們選擇同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路作為前置放大電路的雛形,基礎(chǔ)電路圖如下: 圖3-3 同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路上圖中,結(jié)合測(cè)量腦電信號(hào)的實(shí)際需要,把A1和A2共同組成了同相并聯(lián)輸入模式的真?zhèn)€前置放大器的第一級(jí)放大部分,這樣做的目的是為了提高放大器的輸入內(nèi)阻,

46、然后的A3放大器作為差動(dòng)放大的主體部分,作為整個(gè)前置放大電路的第二級(jí)放大。當(dāng)然對(duì)于實(shí)際的測(cè)量,還要對(duì)該電路進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化和改進(jìn),包括放大器的適當(dāng)選取和極化電壓的去除。關(guān)于放大器的選擇,本文選取低功耗型運(yùn)算放大器:顧名思義,是指該運(yùn)放正常工作時(shí)所消耗的功率比普通運(yùn)放低,低功耗集成運(yùn)算放大器工作時(shí)的電流非常小,電源電壓也很低,整個(gè)運(yùn)算放大器的功耗僅為幾十微瓦,對(duì)于提高電路效率有莫大的幫助,這類集成運(yùn)算放大器在便攜式電子產(chǎn)品中有很高的使用率。常見(jiàn)的低功耗型運(yùn)算放大器有TI公司的OPA2244、TLC2252,NS公司的LMC6041/6042等等。TLC2252是TI公司設(shè)計(jì)制造的雙路運(yùn)算放大器,

47、滿電源電壓幅度輸出性能,各方面性能優(yōu)于CMOS運(yùn)放,其每一放大器僅需要35uA的電源電流,具有很好的低電平電壓噪聲抑制能力,它呈現(xiàn)出高輸入阻抗,能很好地適用于高阻電源,而且,其共模輸入電壓范圍比通常標(biāo)準(zhǔn)的CMOS型放大器更寬,再加上它的溫度性能,這一系列性能使得它能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中,比如溫度控制、遠(yuǎn)程壓力傳感器、加速計(jì)、手持儀表等等。下圖是TLC2252的封裝形式: 圖3-4 TLC2252封裝圖它的特點(diǎn)如下:(1:輸出擺幅包括兩個(gè)電源電壓(可達(dá)到滿電源電壓。(2:低噪聲(頻率1kHZ時(shí)為19nV/HZ。(3:輸入偏置電流低(典型值為1pA。(4:單電源和分享電源都能達(dá)到所有規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)

48、。(5:共模輸入電壓范圍包含負(fù)電源電壓(典型值為每個(gè)通道35uA。(6:低輸入失調(diào)電壓(25時(shí)TLC2252A最大為850uA。由上面的資料可以看出,TLC2252的低功耗和高輸入阻抗的特點(diǎn)滿足本文對(duì)于腦電信號(hào)放大器A1,A2的要求。對(duì)于差動(dòng)放大器A3,查閱差動(dòng)放大器的相關(guān)使用手冊(cè),AD620較為滿足本文對(duì)于差動(dòng)放大器的選擇要求,AD620的各項(xiàng)介紹如下:AD620是一款低成本、高精度儀表放大器,僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益,增益范圍為1至1000。此外,AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝,尺寸小于分立式設(shè)計(jì),并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA,因此非常適合電池供電的便攜式(或遠(yuǎn)程

49、應(yīng)用。AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm、低失調(diào)電壓(最大50 V和低失調(diào)漂移(最大0.6 V/°C特性,是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性,使之非常適合ECG和無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用。由于其輸入級(jí)采用Supereta處理,因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz 時(shí)具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲,在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲峰峰值為0.28V,輸入電流噪聲為0.1 pA/ Hz,因而作為前置放大器使用效果很好。同時(shí),AD620的0.01%建立時(shí)間為15s,非常適合多路復(fù)

50、用應(yīng)用;而且成本很低,足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。AD620 由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成, 但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計(jì), 如電源范圍寬(±2. 3±18 V , 設(shè)計(jì)體積小, 功耗非常低(最大供電電流僅1. 3 mA , 因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。AD620 的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整, 允許電路元件緊密匹配和跟蹤, 從而保證電路固有的高性能。AD620 為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護(hù)增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入, 并采用工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過(guò)輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋, 保持輸入三極

51、管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620 的兩個(gè)內(nèi)部增益電阻為24. 7 k , 因而增益方程式為G =49.4 k/R G + 1對(duì)于所需的增益, 則外部控制電阻值為:R G =49.4/(G - 1k其原理圖和引腳圖如下: 圖3-5 AD620原理圖 圖3-6 AD620引腳配制框圖結(jié)合上面的前置放大電路的總體設(shè)計(jì)和具體元器件選擇,我們可以在Multisim 上搭建仿真電路圖如下 圖3-6 前置放大電路Multisim 仿真圖在圖3-6中,對(duì)同相并聯(lián)差動(dòng)放大電路進(jìn)行了改進(jìn),在圖3-3的的基礎(chǔ)上添加了電容C1,C2用來(lái)去除極化電壓的干擾,由差動(dòng)放大電路的原型可

52、以知道,第一級(jí)放大電路的電壓增益為:12d 31+R R A R +=,結(jié)合電路中的實(shí)際電阻值,R1=R2=50k,R3=1k,則第一級(jí)放大增益為101dB。前置放大電路中的第二級(jí)放大為AD620放大,由其元器件說(shuō)明可知其增益方程式為:G =49.4 k/R G + 1將電路中實(shí)際使用的電阻阻值2.6k代入上面的方程式可得G=20dB,即差動(dòng)放大器AD620此時(shí)的增益為20dB。聯(lián)合第一二級(jí)放大電路,則整個(gè)前置放大電路的放大倍數(shù)為101*20=2020,前置放大電路整體對(duì)輸入信號(hào)放大兩千倍左右。 圖3-7 前置放大電路示波器顯示圖在本仿真實(shí)驗(yàn)中,采用10V ,30Hz 的交流信號(hào)來(lái)模擬腦電信號(hào)

53、,在AD620的輸出端用雙蹤示波器測(cè)量輸出幅度,在該示波器中T1是藍(lán)色線,測(cè)量同道A 的幅度為1.058V ,此時(shí)刻通道B 上的幅度為21.718mV ,而通道B 測(cè)量的是AD620的輸出信號(hào),同道A 測(cè)量的是輸入進(jìn)AD620的輸入信號(hào)幅度,兩相比較則可確定AD620的放大倍數(shù)約為20倍是可靠的,模擬腦電信號(hào)的交流信號(hào)源的原始幅度為10V ,則整個(gè)前置放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到2000倍左右是符合要求的。3.3.3 高通濾波電路的設(shè)計(jì)和仿真在前置放大電路中第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路中添加了高通濾波隔離直流電路,在前置放大電路中的電路如下圖3-8所示其中510R M =,1 3.18C F =,

54、根據(jù)公式 12f RC =,可以計(jì)算得出截止頻率f=0.05Hz ,這樣就可以濾除信號(hào)中低于0.05Hz 的無(wú)用成分,而且隔離了其中的直流信號(hào)噪聲。因?yàn)樵诘谝坏诙?jí)放大電路之中內(nèi)嵌了一階RC 高通濾波器,已經(jīng)濾除了低于0.05Hz 的低頻直流分量,但是腦電信號(hào)的主要頻率為0.5-40Hz ,為了保障主要腦電信號(hào)頻率不被濾除,可以再接一個(gè)二階高通濾波器來(lái)設(shè)定其截止頻率低于0.5Hz 約為0.3Hz14,其原理圖如下圖所示: 圖3-8 一階高通濾波隔直電路 圖3-9 二階高通濾波器原理圖在本文中為使二階高通濾波器的截止頻率達(dá)到約0.3Hz ,設(shè)計(jì)電路圖如下,并在仿真軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證其參數(shù)和

55、截止頻率。 圖3-10 二階高通濾波電路在Multisim中的仿真用波特測(cè)試儀測(cè)得該電路中的幅頻特性曲線如下圖所示,經(jīng)過(guò)移動(dòng)掃描線到拐點(diǎn),可以看出該設(shè)計(jì)得到的高通濾波器的截止頻率約為294.207mHz,十分接近設(shè)計(jì)預(yù)期的0.3Hz,故而可以滿足要求。 圖3-11 高通濾波器Multisim仿真結(jié)果圖3.3.4 EEG50Hz工頻干擾的去除在中國(guó),最廣泛使用的照明用電電壓的頻率是50Hz,而交流電信號(hào)則會(huì)以電磁波的形式對(duì)一些電子測(cè)量工作噪聲干擾,這種干擾通常被我們稱作工頻干擾。對(duì)于一些較為精細(xì)的電氣設(shè)備以及電子設(shè)備,工頻干擾會(huì)造成較多不可忽略的影響,因此在電子儀器或者測(cè)量設(shè)備在設(shè)計(jì)的時(shí)候就應(yīng)當(dāng)

56、考慮加入去除工頻噪聲干擾的部分,這樣能夠提高電子儀器設(shè)備自身抵抗其他外來(lái)信號(hào)干擾的能力,保障自身測(cè)量的主要信息的真實(shí)準(zhǔn)確性。所以,在我們?cè)O(shè)計(jì)的腦電信號(hào)提取電路中,也應(yīng)當(dāng)加入50Hz工頻干擾去除電路。在本文的電路設(shè)計(jì)當(dāng)中,腦電信號(hào)提取電路的前置放大電路是整個(gè)電路的主要部分,而在市面上眾多的腦電信號(hào)測(cè)量設(shè)備當(dāng)中,使用儀表放大或者多級(jí)運(yùn)算放大器組成一些差分放大電路方式是較為廣泛的選擇,因?yàn)榇祟愲娐房梢栽谳斎攵擞兄芨叩妮斎胱杩?恰好符合生物電信號(hào)信號(hào)源高內(nèi)阻的情況,并且差分放大電路的電路特性也決定了其對(duì)于輸入部分具有較強(qiáng)的抑制共模干擾的能力,同時(shí)也使信噪比得到大大提高。作為生物電信號(hào)測(cè)量來(lái)講,外部環(huán)

57、境帶來(lái)的干擾一直是普遍存在的,而且不僅僅存在共模干擾,還時(shí)刻伴隨著各種空間磁場(chǎng)和電磁輻射所帶來(lái)的其他差模干擾等,這些干擾的主要頻率就是在50Hz左右。經(jīng)過(guò)對(duì)于其他國(guó)家以及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有的EEG檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搜索調(diào)查分析,可以發(fā)現(xiàn)較為傳統(tǒng)的抗干擾辦法是組歌干擾源,并且使用能夠很好地屏蔽信號(hào)干擾的屏蔽室進(jìn)行腦電信號(hào)檢測(cè),廣大地腦電檢測(cè)研究者們也都努力地在前置級(jí)放大電路中投入更多精力來(lái)提高這一重要部分的技術(shù)水平。但是,這些隔離措施比如屏蔽室、光電隔離電路、隔離放大器等方法在實(shí)際使用中成本占據(jù)太多的研究經(jīng)費(fèi),并且各類不同的器件不可能做到完全地對(duì)稱,慢慢地也在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)了這樣的問(wèn)題,此類抑制干擾的方法

58、并不能完全有效的解決問(wèn)題。為了較為有效的解決這個(gè)問(wèn)題,世界各國(guó)的EEG設(shè)備制造商在其產(chǎn)品中添加了40Hz低通濾波器,此方法較為巧妙地精簡(jiǎn)了電路,也在去除50Hz工頻干擾方面起到了一定的作用。但這類方法也存在了一定的弊端,就是會(huì)使40Hz-100Hz的也許實(shí)際存在的腦電信號(hào)頻率(但是目前還沒(méi)有被認(rèn)識(shí)到不能被檢測(cè)到。綜上考慮,本文在研究去除50Hz工頻干擾的設(shè)計(jì)中選擇使用50Hz有源雙T帶阻濾波器15。本文設(shè)計(jì)的濾波器主要用于消除工頻干擾信號(hào),將由前置放大電路和高通濾波器輸出的被放大后的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到特定頻率的頻點(diǎn)以外的頻率。帶阻濾波器是為了限制50Hz頻率的信號(hào)通過(guò),所以又可以叫做50Hz工頻陷波器。16下圖是二階有源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)圖: 圖3-12 二階有源帶阻濾波器的設(shè)計(jì)圖如上圖所示的50 Hz 陷波電路可以拆分為兩部分來(lái)看,第一部是由放大器和電阻,電容組成的多重反饋有源帶通濾波器;第二部分是由放大