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脑电信号调理电路设计
2016年微型机与应用第10期
张学军,温 炜
( 南京邮电大学 电子科学与工程学院,江苏 南京 210003)
摘要: 提取脑电信号是进行脑电信号分析的第一步,其中关键的技术之一就是信号调理电路的设计。脑电信号是极其微弱的生物信号,对噪声极为敏感、对放大器性能要求较高。设计了预处理电路中的放大以及滤波电路,具有元器件简单、价格低廉等特点。测试结果表明,该系统具有良好的放大及滤波性能。
Abstract:
Key words :

  张学军,温 炜

  ( 南京邮电大学 电子科学与工程学院,江苏 南京 210003)

       摘要:提取脑电信号是进行脑电信号分析的第一步,其中关键的技术之一就是信号调理电路的设计。脑电信号是极其微弱的生物信号,对噪声极为敏感、对放大器性能要求较高。设计了预处理电路中的放大以及滤波电路,具有元器件简单、价格低廉等特点。测试结果表明,该系统具有良好的放大及滤波性能。

  关键词:脑电信号;放大电路;滤波器

0引言

  生物科学尤其是脑科学的研究已经进入高速发展的时期,现阶段用于脑电信号分析的仪器设备通常是脑磁图仪或者脑电图机。而脑磁图仪因其体积庞大、价格昂贵,只能被专业机构使用。脑电图机的普及相对容易,更易被用户接受。

  脑电图机的性能、价格、体积、是否易于普及等特性,在很大程度上取决于脑电信号调理电路的设计,这也是脑电图机最为关键的技术之一。

  脑电信号(EEG)是极其微弱的生物信号,频率集中在0.5~100 Hz,幅值只有5~100 μV[1]。因此EEG信号极易被淹没在噪声之中。噪声包括外部噪声,如50 Hz工频干扰、环境中高压电源的噪声、人体与电流耦合的噪声等;以及内部噪声,如电极引出信号时的噪声、元器件内部的热噪声等。此外,小信号的放大也是难点之一。要将EEG信号放大至能被A/D转化器所识别的大小,整个系统至少需要达到上万倍的增益。脑电信号调理电路的主要任务就是对脑电信号进行滤噪及放大。

1系统总体设计

  系统总体设计思路是保证系统具有“三高两低”的特性,即高增益、高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移[2]。该系统电路分为放大电路、滤波电路以及电平抬升电路。由于脑电信号的特殊性质,为避免噪声影响,EEG放大无法一次到位,需分2~3级逐级放大。滤波电路用来滤除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信号,同时滤除50 Hz的工频干扰噪声[3]。调理电路总体设计框图如图1所示。 

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2调理电路设计

  按照总体框图中各个模块分部分阐述具体电路的设计工作。

  2.1EEG输入

  国际上把头皮电极定位的标准方法称为10-12系统法。本系统采用单通道,将两片医用电极分别贴在太阳穴的两侧,第三片电极贴在耳垂处起到接地的作用。采集到的头皮信号同步送入下一级差分放大电路。

  2.2放大电路

  2.2.1前置放大电路

  该电路是除了电极之外首先接收并处理脑电信号的模块。脑电信号只有μV级别,需要放大上万倍。但是初次放大不宜过大,此时噪声没有被滤除,它对EEG信号的影响极大,过度放大极易使噪声淹没有效信息。由此考虑,设置初级放大的增益为20,器件选取AD620。AD620能够满足放大需求,并且具有抗干扰能力、功耗低、价格便宜等特点[4]。其增益G的计算公式为:

  G=49.4 kΩ/RG+1(1)

  外接电阻RG取2~3 kΩ,此时G约为20,共模抑制比约为110 dB。

  2.2.2后级放大电路

  经过初次放大,放大增益仍不能满足设计需求,需要第二级放大。后级放大电路设计增益大约为500倍,如式(2)所示,电路如图2所示。

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  2.png

  其增益G的值与R1和R2有关,将R2设置为滑动变阻器即可动态调节增益。不同受试者或同一受试者处于不同状态时,其脑电信号振幅会有所差异,可适时调节。

  2.3滤波电路

  2.3.1高通滤波电路

  此电路负责滤除0.5 Hz以下的信号,采用了压控电压源二阶高通滤波器。其传递函数为:

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  其中,C1=C2=4.7 μF,R1=47 kΩ,Rf(R2)=30 kΩ,R3=R4=100 kΩ,得到截止频率为:

  4.png

  电路图以及波特图如图3所示。

  

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  2.3.2低通滤波电路

  脑电信号的主要频率集中在100 Hz以内,因此可将大于100 Hz的信号直接滤除,该电路传递函数为:

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  电路图以及波特图如图4所示。

 

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  2.3.3陷波电路

  我国市电电压的频率为50 Hz,它同样会对设备造成严重的干扰,这一干扰称为工频干扰,抑制它的电路是陷波电路。通常情况下,采用的解决方案是“双T”陷波电路[5]。传递函数为:

  78.png

  电路图以及波特图如图5所示。

  

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  2.4电平抬升电路

  A/D转化器能识别的标准电压大多在0~3.3 V,呈单极性。保证EEG信号负电压的部分不受损失,需要将其抬升至标准电压内。电平抬升电路如图6所示。 

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  调理电路设计并制作完成后,对系统性能进行测试,结果如下。

  3.1低通滤波电路测试

  设计的截止频率为100 Hz,测试时,维持滤波器输出端的电压为10 V,改变输入信号的频率,结果如表1所示。

  电压在100 Hz截止频率之后出现快速的衰减,在95 Hz的时候仍能保持较高的峰峰值。

006.jpg

  3.2陷波电路测试

  测试方式与上文相同,结果如表2所示。

007.jpg

  3.3系统整体测试

  本系统前置放大电路实际增益为19,后级放大为578,总体增益为10 982倍,达到设计需求。

4结论

  本文设计了脑电信号调理电路,完成了信号的头皮采集、放大、滤波等预处理工作,并对该调理电路的性能做了分析。总体上达到了设计目标。该电路仍有可改进的地方,如加入缓冲电路、右腿驱动电路等。

参考文献

  [1] 陈长伟,谷秀凤. 备考江苏省计算机等级考试(二级VFP)策略[J].经济研究导刊,2010(4):8586.

  [2] 钟文华. 基于ARM的脑电信号采集系统[J]. 电子设计工程,2008(2) :13 15.

  [3] 谢宏,李亚男,夏斌. 基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集系统前端设计[J].电子技术应用,2014,40(3):8689.

  [4] 李永建,李舜酩,郝青青,等. 微弱振动信号自适应采集系统设计[J]. 现代电子技,2009,32(5):187 190.

  [5] 史骏,彭静玉. 基于双T网络的50Hz陷波电路设汁[J]. 科技信息,2011(21):121122.