基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書題目 基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué)院（系）： 年級(jí)專業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 目錄1 課程設(shè)計(jì)的目的42課程設(shè)計(jì)的要求43 腦電放大濾波的方案設(shè)計(jì)54腦電儀采集電路5 4.1前置放大電路5 4.2高通低通濾波電路8 4.3 50Hz工頻陷波10 4.4電平二級(jí)放大電路125 課程設(shè)計(jì)總結(jié)136 參考文獻(xiàn)141課程設(shè)計(jì)的目的腦電信號(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?，F(xiàn)在已明確，在頭皮上引

2、導(dǎo)的腦電波振幅，在正常情況下，從波峰到波底為5200µV（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。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。課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗腦電

3、儀采集電路。腦電信號(hào)采集模塊主要由腦電采集電路、信號(hào)放大電路、濾波電路和AD 采樣電路組成。腦電信號(hào)十分微弱且有較多干擾，所以在電極采集到心電信號(hào)之后，先通過(guò)放大電路將信號(hào)高保真放大，然后再通過(guò)濾波電路濾除諸多干擾得到較高信噪比的心電信號(hào)，最后進(jìn)行AD 采樣。2 設(shè)計(jì)要求及注意事項(xiàng)由于腦電信號(hào)十分微弱，通常在微幅量級(jí)，所以腦電放大器的前置放大器應(yīng)有較高的要求，應(yīng)有較低的輸入噪聲，高增益，高共模抑制比低漂移和高輸入阻抗等要求。具體參數(shù)要求如下：（1） 增益：5001000倍（2） 共模抑制比：大于80dB（3） 輸入阻抗：大于10兆歐姆干擾信號(hào)主要來(lái)源：1工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電

4、容所引起，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號(hào)及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。2電極接觸噪聲。電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾，來(lái)源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢測(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時(shí)的，如病入的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；也可能是固定的，檢測(cè)系統(tǒng)不斷的開關(guān)，放大器輸入端連接不好等。3肌電干擾(EMO)肌電干擾來(lái)自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30Hz300Hz范圍內(nèi)。此外還有人為因素、基線漂移、呼吸影響等因素干擾。3 腦電放大濾波的方案設(shè)計(jì)由傳感器采集到的腦電通過(guò)前

5、置放大電路進(jìn)行放大，在經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波出去噪聲和干擾，最終得到可用的腦電波形。最紅通過(guò)電平提升電路將低電平提升到AD轉(zhuǎn)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(cè)信號(hào)是微弱的電流信號(hào), 放大容易引起電壓電流的失調(diào), 以及零點(diǎn)漂移、自激干擾等現(xiàn)象; 還有背景噪聲、電路噪聲、元器噪聲的影響。上述這些因素對(duì)微弱信號(hào)放大器的精度、穩(wěn)定度要求很高, 這時(shí)普通的運(yùn)算放大器和儀用放大器已經(jīng)無(wú)法滿足精度的要求。最后前置放大電路選用集成運(yùn)算放大器ICL7650。高通濾波主要是濾除電路中的直流成分,如:極化電壓等,本設(shè)計(jì)中采用的是一階無(wú)源高通濾波器,放在隔離級(jí)之后,

6、主放大電路之前,來(lái)消除直流成分的干擾。低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)、衰減或抑制高頻信號(hào)。設(shè)計(jì)中采用了相頻特性較好的巴特沃斯壓控電壓源式電路(VCVS) 。為了使濾波特性更接近理想情況,使用了四階低通濾波電路,由兩個(gè)二階濾波電路級(jí)串聯(lián)而成。最后在通過(guò)反向放大得到最終可用的波形。4腦電儀采集電路4.1前置放大電路采用ICL7650芯片進(jìn)行放大，其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示 圖2 ICL7650內(nèi)部構(gòu)造ICL7650 是Inter sil 公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和先進(jìn)的CMOS 工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器。電路設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)工藝研制成功的第四代集成運(yùn)算放大器。ICL7650 除了具有普通運(yùn)算放大器的

7、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外, 還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和低漂移等特點(diǎn)。特點(diǎn)如下:輸入阻抗: 1012 ;輸入偏置電壓平均溫度系數(shù): 0101 uV ·- 1 ;輸入偏置電流: < 10 pA ;開環(huán)增益: 120 dB ;轉(zhuǎn)換速率: 215 v ·us - 1 ;單位增益帶寬: 2 MHz最終的前置放大電路如下圖3所示。 圖3 前置放大電路將V ab 作為電壓放大器的輸入信號(hào)。所以電壓放大器的輸出電壓為:Vo=（1+R3/R2）*Vi實(shí)際上, 考慮運(yùn)算放大器不是理想的,其增益為有限值,則電路的反饋深度為:F=R3/(R2+R3)根據(jù)負(fù)反饋放大器的增益計(jì)算公式可以得到該

8、同相放大器的實(shí)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(gòu)成,其截止頻率為:f =1/(2*R1*C1)= 0. 05Hz 其測(cè)控電路圖如圖6所示圖6 高通濾波電路圖其相應(yīng)的multisim仿真電路圖，波形圖如下圖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(hào)頻率f成反比,高頻段時(shí)容抗很小,電容串聯(lián)時(shí)將給高

9、頻信號(hào)提供暢通之路,反之低頻時(shí)容抗很大, 電容串聯(lián)時(shí)將使低頻信號(hào)得到衰減和抑制。R2 R5、C2 C5和U1A 、U1B 構(gòu)成四階低通濾波器, 由于自發(fā)腦電信號(hào)的頻率主要都在50Hz以下,為此設(shè)計(jì)其截止頻率為:其相應(yīng)的測(cè)量電路圖如圖10所示圖10 低通濾波電路圖其相應(yīng)的multisim仿真電路圖，波形圖如下圖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4.3 50HZ工頻陷波陷波器是利用壓電效應(yīng)制成的帶阻濾波器,它的作用是阻止或?yàn)V掉信號(hào)中干擾成分在腦電信號(hào)的采集過(guò)程中,存在50Hz的

10、工頻干擾,雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力, 但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)的方式進(jìn)入電路的,對(duì)腦電信號(hào)造成嚴(yán)重的干擾, 必須加以濾除。消除工頻干擾的方法是使用帶阻濾波器, 它能夠使在規(guī)定的頻帶內(nèi),信號(hào)不能通過(guò)(或受到很大衰減或抑制) ,而在其余頻率范圍, 信號(hào)則能順利通過(guò)。帶阻濾波器又稱陷波器。利用雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源雙T帶阻濾波電路,是作為抑制腦電信號(hào)測(cè)量中的工頻干擾而經(jīng)常采用的陷波電路結(jié)構(gòu)。圖4為本系統(tǒng)采用的有源雙T網(wǎng)絡(luò)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/(2*R1*C1)陷波器參數(shù)的確定一方面通過(guò)計(jì)算, 另一方面還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其

11、濾波效果。本設(shè)計(jì)中R1 =R2 = 2R3 = R, C1 = C2 = C3 /2 ,根據(jù)上式算得f為50. 2Hz, 實(shí)際測(cè)得陷波器的中心頻率為50.4Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。陷波器的品質(zhì)因素Q, 決定濾波器的選擇性,高Q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶而低Q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。Q值的計(jì)算公式為:Q =1/（4*（1-F）,式中F為電路反饋系數(shù): F =R5/(R4+R5)選取R1 = 261K , R2 = 54. 9K ,計(jì)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(chǎn)生的干擾, 而且Q 值的提高保證了有用信號(hào)不被衰減。R4 = (1 - F) R, R5 = FRF值取

12、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(dāng)元器件受溫度等環(huán)境影響參數(shù)發(fā)生變化時(shí),會(huì)使陷波點(diǎn)發(fā)生移動(dòng), 工頻干擾就得不到有效的抑制。通常F取0. 8左右。此外雙T網(wǎng)絡(luò)中,兩支路的R, C的對(duì)稱程度決定陷波點(diǎn)的衰減能達(dá)到的最低限度。只有保持R 和C的嚴(yán)格對(duì)稱關(guān)系,才能使對(duì)應(yīng)于工頻的信號(hào)互相抵消, 衰減到零。對(duì)于0 = 50Hz, F = 0. 82,取C = 10nF,則R = 316K。其相應(yīng)電路圖如下圖13所示圖13 50Hz工頻陷波電路圖其相應(yīng)的multisim仿真電路圖和波形圖如圖14、15所示圖14 50Hz工頻陷波multisim仿真電

13、路 圖15 50Hz工頻陷波multisim仿真相位圖圖15 50Hz工頻陷波multisim仿真相位圖4、后級(jí)放大采用反相放大器進(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。電路圖如下圖增益A2=-R2/R1=-20；參數(shù)選擇：取R1=220K，R2=4.7M，平衡電阻為R3=R1/R2=210K；C1=2.2F。其相應(yīng)的multisim仿真電路如下圖16,17所示 圖16 后級(jí)放大電路multisim仿真圖 圖17 后級(jí)放大電路multisim仿真波形圖由前置放大和此級(jí)放大聯(lián)合起來(lái)選用不同參數(shù)即可將采集到的信號(hào)放大的500倍以上。5 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這周的課

14、程設(shè)計(jì)，使我更進(jìn)一步的了解了測(cè)控原理的相關(guān)知識(shí)，加深了對(duì)腦電方面知識(shí)的了解，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和要求，同時(shí)掌握的multisim仿真軟件的基本應(yīng)用，提升了自己的實(shí)際實(shí)踐能力。明白了設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于腦電采集系統(tǒng)應(yīng)從哪幾方面入手。此外也加強(qiáng)了我搜集資料和整理資料的能力，提高了自己動(dòng)手分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。這些都對(duì)我以后的工作進(jìn)行了即時(shí)的訓(xùn)練。并且在設(shè)計(jì)中遇到了許多問(wèn)題，在對(duì)這些問(wèn)題的解決上，也是對(duì)我個(gè)人能力的煅煉。而且這些問(wèn)題的出現(xiàn)很有價(jià)值，是值得重視的,需要在我以后的學(xué)習(xí)中不斷的加以完善和提高。但總的來(lái)說(shuō),通過(guò)這次的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步地增強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力使我的理論與實(shí)踐能力相結(jié)合，從而在整體上提高了自身的學(xué)習(xí)能力和理論素養(yǎng)。 腦電信號(hào)作為一種重要的生物電信號(hào),在進(jìn)行大腦疾病診斷的過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行記錄,以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù),因此腦電信號(hào)采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義。本設(shè)計(jì)通過(guò)前置放大、高通、低通濾波器和50 Hz工頻陷波器的合理設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn),克服了腦電信號(hào)提取中常遇到的一些困難,為腦電信號(hào)處理及特征提取提供一定的理論參考和分析。6 參考文獻(xiàn) 1 譚郁玲. 臨床腦電圖與腦電地形圖