《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種獨(dú)特的腦電信號(hào)放大檢測電路設(shè)計(jì)
摘要: 1引言腦電信號(hào)(EEG]是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng),含有豐富的大腦活動(dòng)信息,,是大腦研究,、生理研究,、臨床腦疾病診斷的重要手段,。通過對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行記
關(guān)鍵詞: 放大器 共模 增益 抑制
Abstract:
Key words :

       1 引言
  腦電信號(hào)(EEG]是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng),含有豐富的大腦活動(dòng)信息,,是大腦研究,、生理研究、臨床腦疾病診斷的重要手段,。通過對(duì)腦電信號(hào)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)的提取具有非常重要的臨床意義,。
  2 設(shè)計(jì)時(shí)常遇到的技術(shù)困難
  (
1)腦電信號(hào)十分微弱,,一般只有50μV左右,幅值范圍為5μV~100 μV,。因此它要求放大增益比一般儀器要高得多;
  (2)腦電信號(hào)頻率低,,其范圍一般在0.5 Hz~35Hz,這使得放大器的低頻截止的選擇非常困難,,當(dāng)受到尖峰脈沖干擾或?qū)?lián)切換的時(shí)候,,放大器容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象;
  (3)存在工頻50 Hz和極化電壓等強(qiáng)大的背景干擾。其中工頻50Hz干擾主要以共模形式存在,,幅值較大,所以腦電信號(hào)放大器必須具有很高的共模抑制比,。而極化電壓干擾的存在使得腦電放大器的前級(jí)增益不能過大;
  (4)由于人體是一個(gè)高內(nèi)阻信號(hào)源,,內(nèi)阻可達(dá)幾十千歐乃至幾百千歐,而且它的內(nèi)阻抗既易于變化,,又可能各支路不平衡,,所以,腦電信號(hào)放大器的輸入阻抗必須在幾兆歐以上,。
  可見,,要設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的腦電信號(hào)放大器,要求前置放大器必須具有輸入阻抗高,、共模抑制比高(CMBR),、噪聲低、非線性度小,、抗干擾能力強(qiáng)以及合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能,,這使得放大器的設(shè)計(jì)存在較大的困難,但這也是整個(gè)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功最重要的關(guān)鍵性的一個(gè)環(huán)節(jié),。
  3 信號(hào)放大檢測電路設(shè)計(jì)
  腦電信號(hào)放大檢測電路如圖1所示,。由該圖可知,該部分主要由緩沖級(jí),、前置差分放大電路,、50 Hz工頻陷波電路,、電壓放大電路、低通濾波器電路,、電平調(diào)節(jié)電路,、線性光耦合電路等組成。
         
  

  在人體和腦電前置放大器之間設(shè)置緩沖級(jí)主要是為了實(shí)現(xiàn)更高的輸入阻抗,,電平調(diào)節(jié)電路是為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程的需要,。
  3.1 前置差分放大電路
  3.1.1 電路組成及特性
  前置放大是整個(gè)腦電圖儀的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)在“三運(yùn)放”的基礎(chǔ)上,,通過采用新型的電路結(jié)構(gòu),,巧妙地利用了儀器放大器共模抑制比與增益的關(guān)系(見表1),并結(jié)合阻容耦合電路,、共模驅(qū)動(dòng)技術(shù),、浮地跟蹤電路等,可以在抑制直流干擾的情況下提供較高的共模抑制比,,具有對(duì)外圍無源器件參數(shù)不敏感的特點(diǎn),。具體電路設(shè)計(jì)見圖2。
  

  
 

  UlA,、UlB構(gòu)成并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器,,在運(yùn)算放大器為理想的情況下,并聯(lián)型差動(dòng)放大器的輸入阻抗為無窮大,,共模抑制比也為無窮大,,且其共模抑制比與外圍電阻的匹配程度無關(guān)。該部分電路具有提高輸入阻抗和提供電壓緩沖的作用,。
  阻容耦合電路由C1,、C2、R6,、R7等構(gòu)成,,主要起隔離極化直流信號(hào)的作用,為后級(jí)儀器放大器提高增益,,進(jìn)而為提高電路的共模抑制比創(chuàng)造了條件,。
  LT1167構(gòu)成后級(jí)放大器,將雙端差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為常用的單端輸出信號(hào),。該級(jí)可做到很高的增益(通過改變Rg的大小),,從而得到較高的共模抑制比。
  共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻R4,、R5和由UlC構(gòu)成的電壓跟隨器等組成,。由于U1A和U1B構(gòu)成的并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的輸出阻抗很低,通過采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù),可避免阻容耦合電路中的阻,、容元件參數(shù)不對(duì)稱導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生,。
  人體地共模反饋電路(右腿驅(qū)動(dòng)電路)。由共模取樣驅(qū)動(dòng)電路取出的兩電極共模電壓經(jīng)過U2A(電壓跟隨器)和UlD(反相放大)后回饋到頭部,,跟原來的共模電壓相加,,形成共模電壓負(fù)反饋電路,減小了共模電壓的輸入值,,從而提高了電路抵抗工頻干擾的能力,。
  由共模取樣驅(qū)動(dòng)電路取出的兩電極共模電壓經(jīng)過R13接至兩輸入電極的屏蔽層。它可以減少引線分布電容的分流效應(yīng),,使其對(duì)放大器的輸入阻抗影響盡可能地減少,,從而使CMRR不降低。
  浮地跟蹤電路(又稱為浮地跟隨器)由U2B,、R17構(gòu)成,,R17一端接前端部分正、負(fù)電源的公共端,,從而使電源浮置起來,。如果U2B具有理想特性,則使正,、負(fù)電源電壓的漲落幅度與共模輸入電壓的大小完全相同,。雖然共模輸入電壓仍舊加在U1A、U1B的同相端,,但卻因放大器本身電源對(duì)共模輸入信號(hào)的跟蹤作用,,使其影響大大削弱。即使U1A,、UlB的參數(shù)不完全對(duì)稱,但由于有效共模電壓減少了,,轉(zhuǎn)化為差動(dòng)而形成的誤差電壓就很少了,,相當(dāng)于提高了前置級(jí)的共模抑制能力。
  在圖2中,,UlC的輸入信號(hào)取自U1A(輸入為Vin1,、輸出為V01)和U1B(輸入為Vin2、輸出為V02)輸出端兩個(gè)串聯(lián)電阻R4和R5的中點(diǎn)電壓Vc,,即Vc=l/2x(V01+V02),,當(dāng)只有差模信號(hào)(V01=-V02)的輸出時(shí),Vc=0,,則運(yùn)放UlC的輸出電壓等于O,,等同于接地;而當(dāng)有共模電壓和差模信號(hào)輸入時(shí),U1C的總輸出中只包含輸入信號(hào)的共模部分Vc=l/2x(Vin1+Vin2)。從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓而直接加在集成儀用放大器U3的輸入端,避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比,。
  圖2所示電路的差動(dòng)輸出可以由式(1)計(jì)算:
  

  其中Adu3是集成儀表放大器LT1167的差模放大倍數(shù),,且Adu3=(49.9 kΩ/Rg)+1
  該電路的高通截止頻率fc可以表示為:
  

  其中:F1、F2,、…為各級(jí)放大器的噪聲系數(shù),,K1、K2…為各級(jí)放大器的功率增益,??梢姸嗉?jí)放大器的噪聲系數(shù)將主要由第一級(jí)噪聲決定。前置放大的總等效輸入噪聲電壓與閉環(huán)增益成反比,,適當(dāng)加大第一級(jí)的差模放大倍數(shù)有利于降低噪聲,。所以在設(shè)計(jì)中挑選了具有很低噪聲的集成運(yùn)算放大器LMH6626,后級(jí)放大器選用LT1167,。
  3.1.2 器件介紹
  LMH6626是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一種雙超低噪聲寬帶運(yùn)算放大器,。其主要性能特點(diǎn)如下:
  噪聲極低,輸入電壓噪聲低至0.92 nV/(Hz)1/2(典型值),,輸入電流噪聲典型值為1.8 pA/(Hz)1/2;
  增益帶寬達(dá)1.3 GHz;
  電源電壓為±6 V時(shí),,輸入失調(diào)電壓為土o.1mV,溫度漂移為±0.1μV/℃,,輸入失調(diào)電流典型值為0.05μA,,溫度漂移為0.7 nA/℃;
  開環(huán)增益為81 dB(典型值)時(shí),共模抑制比CMRR達(dá)95 dB,,壓擺率(SR)為340 V/μs;
  LTll67是Linear公司的新型儀表放大器,,它結(jié)合了FET運(yùn)放和雙極型運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn),其高輸入阻抗和低偏置電流接近FET器件,,而噪聲水平跟雙極型運(yùn)放相同,。具體的性能指標(biāo)如下:
  激光修剪電阻保證共模抑制比CMRR>110dB(G=10);
  高輸入阻抗l 000GΩ,并聯(lián)1 pF;噪聲電壓0.28μVp-p,,噪聲電流10 pAp-p(0.1 Hz~10 Hz);
  輸入偏置電流50pA;靜態(tài)工作電流<13 mA,。
  LTll67比較適用于醫(yī)療儀器。其CMRR和閉環(huán)差模增益的關(guān)系見表1,。
  3.2 線性光耦合電路
  隔離放大器具有極好的抗共模干擾能力,,能有效地阻斷前置放大電路和后級(jí)數(shù)據(jù)采集電路之間的電聯(lián)系,但并不切斷它們之間的信號(hào)傳遞,。因此在腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中采用隔離是必要的,、也是可行的。該功能的實(shí)現(xiàn)一般由變壓器及光耦合元件完成,,其中變壓器用于耦合交流信號(hào),,而光耦合器則用于直流信號(hào)的耦合,。
  以前光隔離產(chǎn)品一般不用在線性電路中,而只是將LED和光敏二極管構(gòu)成的光電耦合器應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)隔離中,,主要原因是這個(gè)時(shí)期的光電耦合器存在一定的非線性和不穩(wěn)定性,,使得該類器件不太適合腦電信號(hào)這樣極微弱的生理電信號(hào)的高精度測量。而變壓器隔離則有體積大,、接線復(fù)雜等不足,。
  LOCllO線性光耦合器是美國CLARE公司生產(chǎn)的新型光耦合器,與一般光耦合元件不同的是,,LOC110在伺服模式設(shè)計(jì)下運(yùn)作,,以補(bǔ)償發(fā)光二極管的非線性時(shí)間及溫度特性,能同時(shí)耦合交流及直流信號(hào),。LOCllO為取代腦電信號(hào)采集應(yīng)用中大體積變壓器及非線性光耦合器提供了另一種更佳的選擇,。
  LOCll0有光電壓和光電導(dǎo)兩種工作模式。光電壓模式下使用LOCllO光耦合器可達(dá)到最佳的線性度,,最低的干擾及漂移性能,。在這種模式下,電路線性度可以達(dá)到12位元,,雖然這是以40 kHz的較小帶寬為代價(jià)的,,但并不影響我們?cè)谠撛O(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中,,LOC110工作在光電壓模式下,,其原理見圖3。
       
  

  圖3中定義:伺服增益K1=I1/IF,,K2=I2/IF,,K3=K2/K1,IF為發(fā)光二極管的順向電流,。則Vin=I1.R1=IF.K1.R1,,Vout=I2·R2=IF·K2·R2,即Vout=Vin·(K2.R2)/(K1.R1)=Vin·K3·R2/Rl,,一般取Kl=K2,,所以Vout=Vin.R2/R1,即Vout與R2/R1成正比,。
  3.3 5O Hz工頻陷波電路
  工頻干擾是腦電信號(hào)的主要干擾,雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用,,但部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的,,且頻率處于腦電信號(hào)的頻帶之內(nèi),加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素,,前級(jí)電路輸出的腦電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾,,所以必須專門濾除,。具體設(shè)計(jì)見圖4,仿真曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖5(a),、(b),。圖4中的LT1112是Linear公司生產(chǎn)的雙路低功耗、高精度,、皮安輸入運(yùn)算放大器,。
  

  

  3.4 電壓放大電路
  由于腦電信號(hào)頻率低,因此該電路采用交流自舉技術(shù),,使得在低頻時(shí)也具有很高的輸入阻抗,,從而具有較強(qiáng)的交流耦合能力。自舉要完全發(fā)揮作用,,必須在圖4中R1的下端提供特別靠近其上端的電壓,。這樣,電阻R1上流過的電流就很小,,因而阻抗就很大,。否則,就發(fā)揮不出自舉效果,。其輸入阻抗ZIN=Xcl+Rl+R2+R1·R2/KC2≈R1.R2/XC2,。按照?qǐng)D4電路中的參數(shù)可以求得:ZIN(1 Hz)=188.46 kΩ,ZIN(10 Hz)=2 MΩ,,如想進(jìn)一步提高輸入阻抗,,則必須增大Rl、R2,、C2的數(shù)值,。具體設(shè)計(jì)見圖6。
  

  3.5 低通濾波器的設(shè)計(jì)
  低通濾波器擔(dān)負(fù)著抑制廣譜噪聲和在ADC之前抗混疊的雙重任務(wù),,兩者都要求低通濾波器的通帶盡可能平坦,,滾降速率越快越好,以便獲得較高的信噪比,。根據(jù)信號(hào)特點(diǎn),,選用巴特沃斯型三階濾波器,截止頻率選100 Hz,。具體設(shè)計(jì)見圖7,,仿真曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖8(a)、(b),。
         
  

  4 結(jié)束語
  本課題隸屬于廣西壯族自治區(qū)教育廳科研項(xiàng)目:《高性能數(shù)字化腦電診斷和監(jiān)護(hù)機(jī)的研制》(桂科教研[2004]20號(hào)),。由于腦電信號(hào)十分微弱并存在較強(qiáng)的干擾,因而使得測量比較困難,,通過對(duì)電路結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)和選用新器件,,可以克服腦電信號(hào)提取中常遇到的一些困難,,使前置放大器具有較高的共模抑制比,從而能夠較好地放大檢測出的腦電信號(hào),。在設(shè)計(jì)的過程中,,通過PspICe仿真軟件有助于電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。如果再結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路并通過USB接口,,就能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號(hào)在上位機(jī)的顯示,、分析等功能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,,使之具有比傳統(tǒng)腦電設(shè)備更好的性能,。
  腦電信號(hào)屬于一種比較微弱的人體生理電信號(hào),通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),,該電路也可以用于測量其他人體生理電信號(hào)或其他微弱信號(hào),。

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