便攜式腦電放大器設(shè)計報告

1、便攜式腦電放大器設(shè)計報告天津大學(xué)精儀學(xué)院 （300072 ）王慧泉 3004202330、項目的任務(wù)與要求設(shè)計題目：腦電放大器（電池供電） 任務(wù)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。、設(shè)計目的人的腦電信號（EEG是大腦皮層的神經(jīng)元細胞所產(chǎn)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信號范圍為1100卩V。頻率范圍0.5100Hz，皮質(zhì)電位約為1mV。在靜息狀態(tài)下

2、腦電所包含的頻率可分為下述5類:5（ Delta波）：0.54Hz,深度睡眠狀態(tài)0（ Theta波）：48 Hz,夢境狀態(tài)a（ Alpha波）：813 Hz,催眠、冥想狀態(tài)3（ Beta波）：1322 Hz,清醒或激動狀態(tài)Y： 2230 Hz及更高頻率。a波陽如沖XTW畑心0 波 5/vnAAWvv)/3 波 /VAzvaZ “屮IflteW斷 Ia迸核形時齦閉眼重點放大a波和3波，通過觀測腦電波基本節(jié)律實現(xiàn)對身體狀態(tài)檢測和進一步實現(xiàn)通過意識控制身邊裝置;其中a波作為一種自發(fā)腦電， 與視覺皮層的閑散節(jié)律相對應(yīng)，多在清醒閉目時出現(xiàn)； 睜 眼、思考問題，或接受其它刺激時，a波消失，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)快波；如

3、果又安靜閉目，則a波又-機接口進重新出現(xiàn)，這一現(xiàn)象稱為a波的阻斷現(xiàn)象。通過觀測a波的阻斷現(xiàn)象，可通過腦步實現(xiàn)對裝置的快速控制。三、系統(tǒng)概述1、腦電檢測的頻帶選擇a節(jié)律是一種規(guī)律的頻率為 813 Hz,波幅10100UV的正弦形節(jié)律。這是腦電圖的基本節(jié)律，主要出現(xiàn)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(xiàn)最多，波幅亦最 高，其波幅可以出現(xiàn)周期性逐漸升高和降低現(xiàn)象，呈紡錘形或梭形。當睜眼或思考問題時,a節(jié)律可抑制。是指頻率為1430 Hz,波幅在520uV之間的一種低波幅電活動，在前頭部最多見。當3活動占優(yōu)勢時，其波幅可達50uV。3活動屬于快活動（頻率高于a節(jié)律的活動稱快活3活動明

4、顯增多，3活動波幅增高多數(shù)是神經(jīng)細胞興奮增高的表現(xiàn)。適量的B波，對積極的注意力提升， 以及認知行為的發(fā)展有著關(guān)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 813 Hz及1430 Hz的有源窄帶通濾波器。2、干擾的抑制1)電極噪聲：由于電極極化產(chǎn)生的噪聲， 對此干擾采用銀一氯化銀電極，是一種不易極化的電極，極化電壓僅數(shù)毫伏;2)無線電波及高頻設(shè)備的干擾：將系統(tǒng)裝入金屬盒，外部信號傳輸使用屏蔽線;3)被測生理變量以外的人體電現(xiàn)象所引起的噪聲：利用差分結(jié)構(gòu)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(xiàn)為共模電壓信號）4)50Hz的

5、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13個數(shù)量動）。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,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(xiàn)輸出信號兩個峰值的情況，故應(yīng)考慮設(shè)計高階低通或陷波器將其去除。3、系統(tǒng)模塊設(shè)計前 級 放 大低 通 濾 波后級放大帶 通 電 路顯示腦-機接口腦電信號四、單元電路設(shè)計與分析般腦電機的技術(shù)指標為:輸入阻抗大于10M Q;共模抑制比大于80dB （即共模抑制比大于 10000:1 ）;頻帶寬度0150Hz;系統(tǒng)噪聲小于3卩V;前置放大級的電源紋波電壓小于0.5mV。1、前級放大電路芯片選用：選用max

6、4194作為核心元件，最低工作電壓為2.7V，最小功耗470mW，具有軌一軌的特性，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(jù)Ag=1+50K /Rg.，欲使增益為100,計算得Rg=510 ，根據(jù)實際可將 Rg= 510則實際放大為 99倍，增益誤差為1%; G=1000時CMRR典型值為115dB, 3dB帶寬為0.147KHz,大于設(shè)計要求。備選方案：選用AD623,最小供電電壓為 2.5V，最小功耗650mW。具有軌一軌的特性,輸出幅度可接近電源電壓。根據(jù)Ag=1 + 100K /Rg，欲使增益為100,計算得Rg=1K ，根據(jù)實際可取值為 Rg

7、=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(shè)計要求。前級并聯(lián)放大器及跟隨器選用低功耗精密放大器max414，采用CMOS技術(shù)制造。最低工作電壓為2.4V,功耗30mW。輸入電壓應(yīng)在比負電源高1.5V，比正電源低1.5V。輸出電壓范圍（2K 負載）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(shè)計提高輸入阻抗的方法不知能不能達到設(shè)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(shè)計

8、，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(diào)電壓 <2.0 卩 V/C,G=100, f=10Hz 時噪聲密度=32nV/Hz ;AD623：失調(diào)電壓200卩V/oC失調(diào)電流2卩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;max414 :其特點是低噪聲，f= 1 KHz時噪聲密度2.4nV八;Hz，增益帶寬積28MHz，單位增益穩(wěn)定，壓擺率 4.5V/卩S,失調(diào)電壓250卩V,靜態(tài)電流2.5mA。通過計算運放噪聲小于設(shè)計要求噪聲，符合要求。Lm324:失調(diào)電壓典型 7卩V/oC

9、，失調(diào)電流典型10卩V/oC，偏置電壓最大7mV，偏置電流最大2nA, f=100KHz時帶寬1.3MHz;輸入1 KHz時，噪聲密度為 40nV/留毎電阻噪聲：電路中噪聲影響最大的電阻就是并聯(lián)的R3 R4,阻值為1M ;2噪聲電壓的均方值為:Vn4kTBR，其中 k=1.372*10-23J/K,T=293K,B=150Hz, R=500K1M,計算得輸入導(dǎo)線上 50K1M電阻在30Hz內(nèi)的熱噪聲最大為 0.0785卩V,R3 R4總共引入噪聲為Jo.7852 0.7852 0.11卩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卩V <3卩V符合設(shè)計要求。其他設(shè)計設(shè)計要

10、求在輸入出現(xiàn)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=50©,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=R4=100K C=4.7卩F,符合要求，主要用于濾出直流偏置電流;采用共模驅(qū)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(cè)并聯(lián)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Cl20SOCip£ife-AIM IM -T-c&a

11、mp;l3?Spf1 -*G25130r：C4 avsopfdVs»sR5截至頻率30Hz_r>.R1o設(shè)計要求：參數(shù)選擇：由歸一化得參數(shù)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:WtiBiK BlF| 1| DHynrtudeIn r*PhaseSaveHoriiontalOut f«-WtiCJl匝Horizocutal DI14TIngavg I可見在50Hz處衰減已經(jīng)到達 26dB

12、,即如果有1mV的工頻信號將通過低通衰減到47卩V,已經(jīng)滿足設(shè)計要求。3、后級放大電路C2設(shè)計要求：放大倍數(shù)：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(shè)計成可調(diào)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(yīng)為R1、R2的并聯(lián)；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(shù)選擇：其中低通截止頻率為 30Hz。4、帶通濾波器設(shè)計要求：可調(diào)中心頻率和帶寬的帶通電路， 用于分別捕捉a波（813 Hz ） 3波（1322 Hz）。BW=8.3Hz13.8Hz計算公式

13、：對任意帶寬RWx的響應(yīng)可計算如下:dB 10log 1BWxBW3dB其中 BW3dB=Fo/Q電路計算公式:已知 Fo、Q、wR12 F0CR2R12Q21R32Ri如圖參數(shù)選擇812Hz時Fo=10Hz、BW3dB=4Hz、Q=2.5、R1=39.8K、R2=3.46、R3=79.6、C=1uF? 可以用R2調(diào)節(jié)、Q,各參數(shù)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1 khz時，噪聲密度為40nV/JS

14、由于腦電信號已經(jīng)過前級放大2500倍，信號基本已到mV量級，因此LM324參數(shù)符合要求。備選方案，可米用 max291系列芯片,其可根據(jù)需要設(shè)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。5、二次放大Cl此設(shè)計是為使系統(tǒng)總增益可為20000，可以調(diào)節(jié)，防止放大過大溢出和過小不便觀察。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。6、電池供電電路采用四節(jié)1.5V干電池供電，如下電路。LP2985。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RAX'scDAI B2940EV%可加入低壓降穩(wěn)壓塊 LM2940，

15、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 A,靜態(tài)電流為2 4 0 A。電路連接如上圖所示。四、小結(jié)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。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(dǎo)聯(lián)線放置緊貼電路板,分別從電路板上下通過;選用屏蔽盒和屏蔽線;設(shè)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(xiàn)的八種情況：磨牙、點頭轉(zhuǎn)頭、打哈欠、眨眼、抬眉毛轉(zhuǎn)眼球、移動數(shù)據(jù)采集線、附近有東西掉在地上、說話等。在測量時應(yīng)注意這些干擾帶來的影響。2、上述設(shè)計只達到了腦電

16、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(shè)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(zhì)量就越高越穩(wěn)定。般頭皮電阻在 20千歐（K 符合要求，少于 5K Q更好，若電阻值過大容易產(chǎn)生干擾或造成波形失真。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(shù)字的好，要是想達到真正的便攜和利用a波的阻斷現(xiàn)象由人腦發(fā)出開信號，完成身邊設(shè)備的控制， 對于其穩(wěn)定性和抗干擾性有很高的要 求，一

17、定要將本系統(tǒng)數(shù)字化。關(guān)于后級的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理部分，其核心器件可選擇ADI公司的2 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(fù)用器、2個緩沖器、1個PGA、2 AADC串行接口控制邏輯及片上鎖相環(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，適以達到輔助診斷疾于設(shè)計要求。并且可在實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行濾波和數(shù)據(jù)的分析, 病的目的。顯示部分可選用LCD器件，使結(jié)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(xiàn)便攜式觀察

18、又為“意識遙控器”的發(fā)展打下基礎(chǔ)。附1。芯片供電電壓參考:AD623: Dual ± 2.5V to ± 6.0VAD620: Dual ± 2.3V to ± 18VMAX4194: Sin gle +2.7V to +7.5VMAX414: Single Low± 2.4V to± 5Vmax± 12VLM324: Sin gle +3V to +30VDual± 1.5V to ± 15VLF347: ± 18V, ± 15VMAX; Single +5VDual± 5V附2:芯片管腳說明Max4194 : G=1+49.4K/RgIN- 2INt 3VE£ 43 RG+3恤 習(xí)OLIREFsoRG也AD623:G=1 + 100K/RgLM324 :Odpyt I IInveTlIrg npift i 2hfln-inv#rlirg InpLt 1 3Ax* 4Nonnvortbg InputsInvcrllTig trtpuL2OLItpUtf141311106920ut