脑电放大器设计报告

脑电放大器设计报告（直流供电）指导老师：李刚教授精密仪器与光电子工程学院04级生物医学工程二班陈露诗30042023412006－12－263004202341－２－陈露诗-1-脑电放大器（电池供电）设计报告3004202341－２－陈露诗－2007一、设计目的与意义１）脑电概述脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5~200µV（而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV）其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。通过电极和导线从头皮上或者从大脑皮层上直接将大脑产生的节律性电位变化，传送至特制的记录装置——脑电图机上记录下来，形成动态曲线，这就是通常称为的脑电图（electroencephalogram,EEG），脑电图反应了大脑皮质的自发脑电活动。图1－1脑电机框图由于脑电信号非常微弱，通常在µV量级，所以脑电放大器的前置放大器应有较高的要求，应由较低的输入噪声（3μVp-p）、高增益（500～10000倍）、高共模抑制比（应大于80dB）、走纸传动时标笔声光刺激器时标信号发生EEG记录ECG放大器输入盒导联选择2号EEG放大器3号EEG放大器8号EEG放大器2号EEG放大器校正信号前置放大控制网络干扰抑制增益调节主放大器EEG记录3004202341－２－陈露诗-2-低漂移和高输入阻抗（≥10MΩ）等要求。通常脑电前置放大器采用三运算放大器电路，采用低噪声场效应管作为输入级，用同向输入方式，以确保高阻抗和低噪声。脑电图机的主放大器包括后级放大及功率放大，以获得足够的功率输出。为了实现脑电信号的放大以便于观测，我设计的脑电放大器重点在设计上图虚线框里的部分。２）脑电信号分析脑电图是一种随机性的生理信号，其规律性远不如心电图那样明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断的主要依据，而频率成分显得尤为重要。因为大脑活动的程度与脑电图节律的平均频率之间有密切的关系。一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分为五种类型，频率由高到低，依次为γ波、β波、α波、θ波、δ波（表2-1）表2-1脑电图中各波的频率范围和幅值类型频率范围峰值α波β波γ波δ波θ波8~13Hz13~30Hz4~8Hz0.5~4Hz〉31Hz5~20µV20µV100µV100µV2µV３）设计目的实现对正常人脑电信号的放大，查明脑电图中各类波的比例，并观察比较不同频率的脑电信号的波形、强弱特点。二、系统设计3004202341－２－陈露诗-3-设计模块前置放大器采用低噪声、低漂移的精密仪表放大器AD620作为主放大器，前级采用两个单运放OP07运放放大器组成并联型差动放大器。在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样，可为后级仪器放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，还采用了共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻容元件参数不对称导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。50HZ工频陷波采用了可调Q值的双T型网络，以实现高精度的陷波。后级放大采用两个反相器级联。为了有效抑制干扰，还采用了多芯屏避电缆。前级放大倍数为500倍，由并联型差分输入电路与前置主放大共同作用实现。其中信号经过并联差分放大5倍，然后再经过AD620放大100倍。后级放大20倍，由两个反相器串联实现。由于我的设计目的是为了观察脑电信号波形的差异，为了尽量减少不必要频率的信号对观测造成干扰，即为了尽量抑制噪声，我选择将信号频率带宽设为0.5HZ～35HZ。在调试电路中，先经过仪表放大器对来自头皮电极的脑电信号进行前置放大。然后，对放大过的信号进行低通滤波及补偿、50HZ工频陷波和后级放大调整后进入示波器进行观察。电极导联与信号输入无源高低通滤波信号输出后级放大50HZ陷波低通滤波前置放大稳压源3004202341－２－陈露诗-4-2121221221121lg201CMRRdCMRRCMRRdcddcdcdCMRRCMRRCMRRKAKKAAAAAAAAKKK即：三、单元电路的设计1.无源高低通滤波与前置放大参数选择无源高通滤波(阻容耦合电路)：截止频率fc=339.010147014.321213RCHZ：参数选择：R6=R7=470kΩ，C1=C2=1μF前级放大增益设置：前置放大电路的增益主要有两部分组成，第一部分是差分放大电路，第二部分是仪用放大器。由于电极噪声的存在，差分放大电路的放大倍数不宜太大，在这里设置为5倍左右，后面仪用放大器设置为100倍左右：K1=1+2R1/R3=5；K2=49.6KΩ/RG+1=100；参数选择：R1=R2=82KΩ,R3=39KΩ;RG=500Ω共模抑制比：右腿驱动电路：为了减小位移电流的干扰并减小共模电压采用了右腿驱动电路。从图中可以看到右腿这时不是直接接地，而是接到辅助放大器的输出，从R4、R5两电阻接点检出的共模电压经放大器后，再通过Ro反馈到右腿。人体的位移电流这时不再流入地，而是流向Ro。Ro在此起安全保护的作用，当人和地之间出现较大的电位时，辅助运放饱和，相当于地，Ro此时起限流保护的作用。电路由U3、R5、Rf、C5、R0组成，C5的作用是使右腿驱动电路稳定。R0=100KΩ，Rf=10MΩ，R5=10KΩ，C5=4.7μF。3004202341－２－陈露诗-5-当辅助运放不饱和时，所以，采用右腿驱动电路可以减小人体与地之间的共模电位。共模电压为Vcm=Rcm×Id；共模等效电阻为Rcm=R0/（1+2RF/R9），在选择参数时要尽量减小共模等效电阻。共模取样驱动电路：由两个等值电阻R6、R7和运算放大器U3（LM324）跟随器构成。U3的输入信号取自U1和U2输出端和两个串联电阻R6、R7的中点电压Vc，即Vc=2121VoVo当只有差模信号的输出Vo1=-Vo2时，有Vc=0。则运放A3的输出电压为零，等同于接地：而当兼有共模电压和差模信号输入时，U3的输出只包含输入信号的共模部分Vc=2121ViVi从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。放大器U4选用AD620；U1、U2选用具有高输入阻抗的放大器OP07；U3选用LM324；AD620是高增益高输入阻抗的精密仪用放大器，可供电范围±2.3to±18V，双端供电范围广，易调节；MAX4194双端供电范围为±2.7to±3.3V，不在此范围内的供电电压都难以使MAX4194正常工作，单端供电5V～18V，但双端供电因为涉及到信号地较为麻烦，而且设计电路经常需要调试，多次使用或不慎使用很易造成其烧毁。故虽然MAX4194具有轨至轨输出、高增益调节、低噪声、低漂移等优良特性，但与AD620相比，我还是选择了后者作为我的主放大器。２、低通滤波：本设计要求滤波器的陡度系数要高，即波形要下降的速度较快。要求通带截止频率ωp=35HZ，通带内增益K=500且保持平坦，在阻带截止频率ωr=50HZ处至少衰减20dB，n)35/50(1k)c/r1kA,2)/(1)(2n2n2算得（）（即kckcAn4.7，因此滤波器至少应设为五阶。方案一：六阶巴特沃思低通滤波器设置低通滤波的截止频率为35HZ。归一化值：C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F；921,R2R04c94F549594RRRIRVVRIVVRVRRRVRRVRRVFdocoodcoFocc所以又因为，）所以，（3004202341－２－陈露诗-6-R1=R2=R3=R4=R5=R6=1ΩFSR=2πfc=628;Z=104去归一化后的标称值C1=470nF，C2=470nF，C3=680nF，C4=330nF，C5=2.2μF,C6=0.1μF；R1=R2=R3=R4=R5=R6=10KΩ测试结果如右图所示：可从图中看出输出波形有波纹，且50HZ频率的输入信号的输出波形幅值约为100mV。通带截止频率为35.56HZ测试数据为：频率/HZ1.4413.0025.01810.2415.120.0224.9329.9935.56幅值/V0.60.6560.670.650.650.6280.610.5840.474频率/HZ35.9436.9938.0140.14249.8955.0180.65100幅值/V0.4520.410.3760.3040.240.1020.070.0060.002方案二：用集成芯片MAX280本方案采用MAX291,其电路图如左图,电容C的计算公式：时钟信号计算公式：Fosc=100fc经R、C调整后，可按如下公式选取参数选取：R=17.1517K（真实值17.5K）；C=0.47μF（真实值0.465μF）；Cosc=1410.75PF（真实值1500PF）测试结果：通带截止频率为34.36HZ频率/HZ1.5213.6420.0634.3639.9149.976079.9890.06100幅值/V110.9760.7060.4060.1440.0580.0150.0090.006六阶巴特沃思低通滤波-0.100.10.20.30.40.50.60.70.8050100150频率/HZ幅值/V幅值/V3004202341－２－陈露诗-7-运放电压跟随器法电路图可见由MAX280组成的低通滤波电路不仅电路结构简单，而且滤波曲线光滑。本设计采用此设计方案。３、50HZ陷波器参数选择：中心频率fc=RC21；品质因素：Q=)1(41K，Q值不易选太大，否则易产生自激，一般选十到几十左右取Q=20，K=0.975；C1=C2=0.1μF，C3=0.22μF；R1=R2=30KΩ，R3=15KΩ，R4‘为10k电位器，R4=100KΩ。４、后级放大电路图如右图所示：采用反相放大器进行后级放大。前端加有电容，隔直用。放大器正输入端接有平衡电阻，减少直流偏置。1）测心电用：增益A1=-R2/R1=-2；参数选择：C1=1μF（真实值0.712μF），R1=508KΩ，R2=992KΩ，平衡电阻为R3=R1//R2=326KΩ。高端截至频率为：0.44HZ。２）测脑电用：增益A2=-R2/R1=-20；参数选择：取R1=220KΩ，R2=4.7MΩ，平衡电阻为R3=R1//R2=210KΩ；C1=2.2μF。５、电源设计方案一：利用四节干电池供电，中间接地，将另一端j拉至-3v。此方案实现较为简单，但电池节数太多，不利于整机携带。所以可选电池盒来双MAX280五阶低通滤波00.20.40.60.811.2050100150频率/HZ幅值/V3004202341－２－陈露诗-8-端供电。方案二：采用单电源供电，可减少电池节数，但需要单独引地线较为麻烦。因为选用的前置主放大器芯片是MAX4194，其双端供电电压为±2.7～±3.3V，不在此范围内的供电电压难以使之工作，对于电池供电很难保证电池电压在此范围内，所以考虑到使用单端供电。供电方法如图所示：由于采用单端供电，产生了一个幅值为Vcc／2的偏置电压，可以获得最大的输出动态响应范围。（此处放大器的接地端为信号地）６、稳压电路：用集成芯片实现稳压。MA