腦電信號EEG(Electroencephalogram)是大腦神經(jīng)產(chǎn)生的一種電位活動,，含有豐富的大腦活動信息，是診斷腦部疾患的主要生理指標(biāo)依據(jù),，也是目前腦機接口研究的主要信號源,，在人的警覺度檢測和認(rèn)知能力識別研究中也有應(yīng)用。傳統(tǒng)腦電信號采集設(shè)備都比較龐大,，不便于腦電信號的實時獲取[1],。因此研究便攜式的腦電信號采集設(shè)備無論對理論研究還是病人的實時監(jiān)護(hù)都有重要意義[2]。

    由于人體的阻抗高而且變化很大,，腦電信號又很微弱,，外部環(huán)境的干擾很大，因此一般對腦電信號采集系統(tǒng)的放大和預(yù)處理電路部分的要求很高,，電路一般比較復(fù)雜,，因而體積大功耗高。如在參考文獻(xiàn)[3]中給出的腦電信號調(diào)理電路包括了用分離元件設(shè)計的前置放大器,、陷波濾波電路,、主放大電路和信號隔離電路；參考文獻(xiàn)[4]和[5]采用儀用放大器作為信號輸入前端,，采用壓控電壓源50 Hz陷波電路和二階有源濾波電路來濾除噪聲,，并應(yīng)用右腿驅(qū)動浮地技術(shù)來抑制共模干擾；參考文獻(xiàn)[6]采用兩個儀用放大器來對腦電信號進(jìn)行二級差分放大作為前端放大電路,；參考文獻(xiàn)[7]也采用與參考文獻(xiàn)[4]和[5]相似的結(jié)構(gòu)并用八階開關(guān)電容濾波器芯片MAX291來做抗混低通濾波;參考文獻(xiàn)[8]采用了常規(guī)的儀用放大器信號輸入前端,、陷波電路、二階有源濾波電路,，并采用具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F169作為MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸,；參考文獻(xiàn)[9]針對疲勞駕駛檢測設(shè)計僅包含儀用放大器前端、高通濾波,、二級信號放大電路,，并采用八階Bessel開關(guān)電容濾波器芯片MAX7405作為低通抗混濾波器，結(jié)合MSP430F169和CC2500實現(xiàn)了腦電信號的采集與無線傳輸,。以上腦電信號采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的精度都比較低,，因此要求信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)較高才能保證足夠的信號分辨率，而采用分離元件實現(xiàn)腦電信號的調(diào)理電路則使得電路體積大功耗大，不宜實現(xiàn)腦電信號的便攜式采集,。TI公司新推出的芯片ADS1298專門為生理信號采集而設(shè)計,，為改變這種現(xiàn)狀提供了技術(shù)保障，如參考文獻(xiàn)[10]采用ADS1298和STM32F103微處理器實現(xiàn)了心電信號采集,，大大簡化了信號前端的設(shè)計,。

    本文以TI公司的ADS1298芯片為基礎(chǔ)，結(jié)合腦電信號采集的特點,，設(shè)計了一種可用于超低功耗和微型化的腦電信號采集系統(tǒng)的采集前端,，與ARM、FPGA,、DSP等微處理器以及USB或Wi-Fi等芯片集成可設(shè)計出便攜式可穿戴的腦電信號采集設(shè)備,。

1 EEG信號的特點及采集要求
    由于EEG的輸入信噪比很低而且幅值屬于微伏數(shù)量級，所以EEG檢測應(yīng)視為微弱信號檢測的一種,。EEG檢測的主要特點有：
    (1) EEG過于微弱,幅值只有5 μV～200 μV,，如果信號放大倍數(shù)不夠,就需要系統(tǒng)有較高的電壓分辨率。如果系統(tǒng)電壓分辨率不夠,則一般要對信號放大20 000倍左右,。
    (2) 人體大腦的信號源阻抗高,，腦電信號頭皮與顱骨通常有幾千歐姆的電阻，所以要求前置部分有很高的輸入阻抗,，以提高腦電信號索取能力,，一般輸入阻抗要大于10 MΩ。
    (3) EEG信號頻率較低,，一般在30 Hz以下,。EEG信號采集時，高頻干擾影響很大,，同時,，50 Hz市電電網(wǎng)信號會以共模干擾和差模干擾兩種方式混入電路，幅值在毫伏數(shù)量級,所以要求放大器具有很高的共模抑制比CMRR(Common-Mode Rejection Ratio),一般要大于100 dB,。在沒有屏蔽措施的環(huán)境下,，CMRR對能否提取到EEG有著重要的影響。
    (4) 電極和皮膚接觸阻抗不對稱等因素會在電極與頭皮接觸的部位產(chǎn)生電位差,，稱為極化電壓,。它一般影響信號的偏置，如果在前端不做處理,，會對信號的提取造成很大困難,。
    TI公司近年推出的ADS1298模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是專門針對ECG和EEG等生理信號采集而設(shè)計的，其集成了8個獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,，單個通道的最高采樣速率可達(dá)32 kS/s,，在采樣率不超過8 kS/s時具有24位的轉(zhuǎn)換精度,，同時還集成了8個程控差分輸入放大器,、右腿驅(qū)動,、Wilson電阻網(wǎng)絡(luò)等，通過結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換和將基線漂移,、工頻干擾等噪聲處理放到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字處理部分,，可以大大簡化數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計，實現(xiàn)便攜式低功耗的腦電信號采集系統(tǒng),。

2 ADS1298轉(zhuǎn)換器簡介[11]
2.1 功能特點
    ADS1298是TI公司推出的一款24位8路差分輸入的高精度,、高輸入阻抗、高共模抑制比,、高轉(zhuǎn)換速率,、低功耗的∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要特性有：
    (1) 8通道24位ADC轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部有8個低噪聲可編程增益放大器(PGA),；8個高分辨率同步采樣ADC,；其采樣頻率可工作在250 S/s~32 kS/s。
    (2) 各通道含低噪聲可編程增益放大器(PGA),，其放大倍數(shù)在1～12倍可調(diào);工頻共模抑制比CMRR最小為105 dB,，典型值為115 dB；直流輸入阻抗為1 000 MΩ,；兼容的SPI通信方式,，可對內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和輸出數(shù)據(jù)。
    (3) 內(nèi)置右腿驅(qū)動集成型放大器,；針對威爾遜中心終端WCT(Wilson Center Terminal)與戈德伯格終端GCT(Goldberger Terminals)的集成型放大器,。
    (4) 數(shù)字計步(digital pace detection)功能；持續(xù)啟動檢測(lead-off detection)功能,。
    (5) 板載振蕩器與內(nèi)部參考電壓可實現(xiàn)更小尺寸的低功耗應(yīng)用,；靈活的掉電、待機模式,。
    (6) ADS1298每通道功耗0.75 mW,，與獨立式實施方案相比，功耗降低達(dá)95%,，從而可提高設(shè)備的便攜性與患者監(jiān)護(hù)移動性,。
    (7) 其4-uVpp典型值輸入?yún)⒖荚肼曔h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了IEC60601-2-27/51標(biāo)準(zhǔn)的限度，從而可提高便攜式設(shè)備以及高密度高端ECG與EEG設(shè)備的測量精度,。
　　ADS1298的以上這些特點,，集成了ECG與EEG前端所需的常見特性，可簡化設(shè)計并節(jié)省板級空間,，使得組件的使用量銳降95%,。
2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　ADS1298內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,。其內(nèi)部集成了8路并行的PGA與ADC、監(jiān)測電路和數(shù)字濾波電路,，采用SPI串行通信方式設(shè)置內(nèi)部控制用寄存器并輸出數(shù)字信號,。根據(jù)心電模式或腦電模式的具體應(yīng)用，通過單片機配置多路選擇器(MUX)內(nèi)部各個輸入端(INXX,RLD)的通斷,，可編程放大器(A1～A8)的放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC1～ADC2)的采樣頻率,。當(dāng)芯片完成一次轉(zhuǎn)換，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖?，通知MCU通過SPI總線讀取數(shù)據(jù),。

    該芯片內(nèi)部電路可分為數(shù)字和模擬兩大部分，數(shù)字部分供電范圍為：1.6～3.6 V,，模擬部分既可采用單極性供電（2.7～5.25 V),，也可采用雙極性供電(±2.5 V)。當(dāng)模擬部分采用單極性供電時,，其輸入模擬信號的電壓范圍為0～5.25 V,；當(dāng)模擬部分采用雙極性供電時，其允許輸入信號的范圍為-2.5～2.5 V,。使用時,，既可以使用片內(nèi)參考電壓，也可以用片外參考電壓,。A/D時鐘電路的配置也一樣,，既可使用片內(nèi)時鐘電路，也可使用片外時鐘電路,若選用片內(nèi)時鐘電路,，AD還可向外提供時鐘信號,。
3 前端硬件電路設(shè)計
    對于一個腦電信號采集系統(tǒng)而言，硬件電路的設(shè)計主要在于信號的調(diào)理部分以及如何把微弱的模擬腦電信號變成適合分析的數(shù)字化腦電信號,，其設(shè)計將決定整個系統(tǒng)性能的好壞,，是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的關(guān)鍵所在。由于ADS1298芯片為差分輸入方式,，其輸入工頻共模抑制比典型值達(dá)到了115 dB,，且直流輸入阻抗達(dá)到了1 000 MΩ，再考慮其24位的采樣精度,，因此在輸入端只作簡單的一階低通和高通濾波以及限幅設(shè)計,，同時再配合右腿驅(qū)動電路設(shè)計（如圖2所示），這樣輸入端電路就可以大大簡化,，而模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號分辨率也保證了經(jīng)過后期數(shù)字信號處理得到高質(zhì)量的腦電信號,。

3.1 濾波限幅電路
　    腦電信號屬于微弱的低頻生物信號，其有用頻率在0.5～100 Hz的頻帶內(nèi),，另外從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護(hù)器件考慮,，需要對輸入信號進(jìn)行限幅與濾波,，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其電路的限幅原理是取二極管的單向?qū)ㄌ匦?，而電路的低通濾波采用傳統(tǒng)的無源一階低通,，高通濾波采用了傳統(tǒng)的阻容濾波，電路的頻率響應(yīng)函數(shù)如式(2)所示,，通帶截止頻率可由電路的頻率響應(yīng)函數(shù)計算得到：
    

3.3 ADS1298多芯片級聯(lián)
    在常見的腦電信號采集系統(tǒng)中,，一般都是16,、32,、64或更多通道，由于ADS1298是一種8通道的生物信號處理芯片,，在高于8通道的采集系統(tǒng)中就需要級聯(lián)幾塊芯片來解決多通道的問題,，圖5給出了兩片芯片的16通道級聯(lián)模式的結(jié)構(gòu)。

    由圖可以看出,，芯片共用啟動信號START和時鐘信號CLK,，在SPI接口連接中復(fù)用SCLK、DIN,、DOUT信號線,。ADS1298每個設(shè)備都有自己獨立的片選信號CS線，通過拉高相應(yīng)的CS信號線,，其相應(yīng)的設(shè)備DOUT輸出為高阻態(tài),。這種結(jié)構(gòu)允許其他設(shè)備控制這個DOUT總線，這種配置方法適合于大部分場合的應(yīng)用要求,。
    本文所介紹的新型腦電信號采集前端充分利用了近年來發(fā)展迅猛的半導(dǎo)體技術(shù),，以超低功耗、高精度,、高集成度的ADS1298轉(zhuǎn)換器為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,采集的精度,、速度及可靠性能夠滿足要求。利用了其24位的高精度,結(jié)合芯片內(nèi)部的PGA可編程增益放大器及右腿驅(qū)動電路,，大大降低了前置信號調(diào)理電路的規(guī)模,，其能夠很好地對人體腦電信號進(jìn)行精確采集，為新時代便攜式的腦部醫(yī)療保健和實時移動監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支持,，實現(xiàn)了高性能的,、便攜式、可佩帶的腦電信號采集系統(tǒng),。
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