張學軍,，溫 煒
?。?南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003）
摘要：提取腦電信號是進行腦電信號分析的第一步,，其中關(guān)鍵的技術(shù)之一就是信號調(diào)理電路的設(shè)計,。腦電信號是極其微弱的生物信號，對噪聲極為敏感,、對放大器性能要求較高,。設(shè)計了預處理電路中的放大以及濾波電路，具有元器件簡單,、價格低廉等特點,。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的放大及濾波性能,。
關(guān)鍵詞：腦電信號,；放大電路；濾波器
0引言
生物科學尤其是腦科學的研究已經(jīng)進入高速發(fā)展的時期,，現(xiàn)階段用于腦電信號分析的儀器設(shè)備通常是腦磁圖儀或者腦電圖機,。而腦磁圖儀因其體積龐大、價格昂貴,，只能被專業(yè)機構(gòu)使用,。腦電圖機的普及相對容易，更易被用戶接受,。
腦電圖機的性能、價格,、體積,、是否易于普及等特性，在很大程度上取決于腦電信號調(diào)理電路的設(shè)計,，這也是腦電圖機最為關(guān)鍵的技術(shù)之一,。
腦電信號（EEG）是極其微弱的生物信號，頻率集中在0.5~100 Hz,，幅值只有5~100 μV［1］,。因此EEG信號極易被淹沒在噪聲之中,。噪聲包括外部噪聲，如50 Hz工頻干擾,、環(huán)境中高壓電源的噪聲,、人體與電流耦合的噪聲等；以及內(nèi)部噪聲,，如電極引出信號時的噪聲,、元器件內(nèi)部的熱噪聲等。此外,，小信號的放大也是難點之一,。要將EEG信號放大至能被A/D轉(zhuǎn)化器所識別的大小，整個系統(tǒng)至少需要達到上萬倍的增益,。腦電信號調(diào)理電路的主要任務(wù)就是對腦電信號進行濾噪及放大,。
1系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)總體設(shè)計思路是保證系統(tǒng)具有“三高兩低”的特性，即高增益,、高輸入阻抗,、高共模抑制比和低噪聲、低漂移［2］,。該系統(tǒng)電路分為放大電路,、濾波電路以及電平抬升電路。由于腦電信號的特殊性質(zhì),，為避免噪聲影響,，EEG放大無法一次到位，需分2~3級逐級放大,。濾波電路用來濾除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信號,，同時濾除50 Hz的工頻干擾噪聲［3］。調(diào)理電路總體設(shè)計框圖如圖1所示,?！?/p>
2調(diào)理電路設(shè)計
按照總體框圖中各個模塊分部分闡述具體電路的設(shè)計工作。
2.1EEG輸入
國際上把頭皮電極定位的標準方法稱為10-12系統(tǒng)法,。本系統(tǒng)采用單通道,，將兩片醫(yī)用電極分別貼在太陽穴的兩側(cè)，第三片電極貼在耳垂處起到接地的作用,。采集到的頭皮信號同步送入下一級差分放大電路,。
2.2放大電路
2.2.1前置放大電路
該電路是除了電極之外首先接收并處理腦電信號的模塊。腦電信號只有μV級別,，需要放大上萬倍,。但是初次放大不宜過大，此時噪聲沒有被濾除，它對EEG信號的影響極大,，過度放大極易使噪聲淹沒有效信息,。由此考慮，設(shè)置初級放大的增益為20,，器件選取AD620,。AD620能夠滿足放大需求，并且具有抗干擾能力,、功耗低,、價格便宜等特點［4］。其增益G的計算公式為：
G=49.4 kΩ/RG+1（1）
外接電阻RG取2~3 kΩ,，此時G約為20,，共模抑制比約為110 dB。
2.2.2后級放大電路
經(jīng)過初次放大,，放大增益仍不能滿足設(shè)計需求,，需要第二級放大。后級放大電路設(shè)計增益大約為500倍,如式（2）所示,，電路如圖2所示,。
其增益G的值與R1和R2有關(guān)，將R2設(shè)置為滑動變阻器即可動態(tài)調(diào)節(jié)增益,。不同受試者或同一受試者處于不同狀態(tài)時,，其腦電信號振幅會有所差異，可適時調(diào)節(jié),。
2.3濾波電路
2.3.1高通濾波電路
此電路負責濾除0.5 Hz以下的信號,，采用了壓控電壓源二階高通濾波器。其傳遞函數(shù)為：
其中,C1=C2=4.7 μF,R1=47 kΩ,Rf（R2）=30 kΩ,R3=R4=100 kΩ,，得到截止頻率為：
電路圖以及波特圖如圖3所示,。
2.3.2低通濾波電路
腦電信號的主要頻率集中在100 Hz以內(nèi)，因此可將大于100 Hz的信號直接濾除,，該電路傳遞函數(shù)為：
電路圖以及波特圖如圖4所示,。
2.3.3陷波電路
我國市電電壓的頻率為50 Hz，它同樣會對設(shè)備造成嚴重的干擾,，這一干擾稱為工頻干擾,，抑制它的電路是陷波電路。通常情況下,，采用的解決方案是“雙T”陷波電路［5］,。傳遞函數(shù)為：
電路圖以及波特圖如圖5所示。
2.4電平抬升電路
A/D轉(zhuǎn)化器能識別的標準電壓大多在0~3.3 V,，呈單極性。保證EEG信號負電壓的部分不受損失，需要將其抬升至標準電壓內(nèi),。電平抬升電路如圖6所示,。
調(diào)理電路設(shè)計并制作完成后,，對系統(tǒng)性能進行測試,，結(jié)果如下。
3.1低通濾波電路測試
設(shè)計的截止頻率為100 Hz,，測試時,，維持濾波器輸出端的電壓為10 V，改變輸入信號的頻率,，結(jié)果如表1所示,。
電壓在100 Hz截止頻率之后出現(xiàn)快速的衰減，在95 Hz的時候仍能保持較高的峰峰值,。
3.2陷波電路測試
測試方式與上文相同,，結(jié)果如表2所示。
3.3系統(tǒng)整體測試
本系統(tǒng)前置放大電路實際增益為19,，后級放大為578,，總體增益為10 982倍，達到設(shè)計需求,。
4結(jié)論
本文設(shè)計了腦電信號調(diào)理電路,，完成了信號的頭皮采集、放大,、濾波等預處理工作,，并對該調(diào)理電路的性能做了分析?？傮w上達到了設(shè)計目標,。該電路仍有可改進的地方，如加入緩沖電路,、右腿驅(qū)動電路等,。
參考文獻
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