交流腦電放大器設(shè)計報告.doc

交流腦電放大器設(shè)計報告30042023241孟琳一概述腦電信號的測量是反映大腦電活動的重要指標(biāo)。它是用放在頭皮表面的電極檢測并放大與大腦神經(jīng)有關(guān)的生物電位。臨床上常用于診斷顱內(nèi)病變，探討腦疾病的演變過程和藥物療效觀察等等，具有很重要的意義。腦電是非周期信號，無論在幅值方面還是相位和頻率方面都是連續(xù)變化的。腦電按頻率分可以分為5種：0.54HZ 20200V 熟睡嚴(yán)重或腦疾時出現(xiàn)：48HZ 情緒不好時出現(xiàn)：813HZ 200100V 安靜時：1340HZ 520V 緊張時出現(xiàn)：2230HZ及更高頻率 2V我們設(shè)計的腦電放電器主要放大以上信號，其中以波為主。二系統(tǒng)設(shè)計（1）整體參數(shù)設(shè)計頭皮表面腦電信號范圍是1100V，所以整個信號放大2400倍，輸出0.00240.24V腦電信號頻率范圍為0.5100HZ，所以電路設(shè)計通帶為0.5100HZ。輸入短路噪聲3V以下。第一部分放大器的輸入阻抗應(yīng)大于5M。（2）系統(tǒng)框圖保護電路前置放大器時間常數(shù)右腿驅(qū)動儀表放大器光電耦合高通與放大50HZ陷波器后級放大低通濾波 第一部分和光電耦合的前部分需要另外用電源（3）各部分參數(shù)分配：第一部分 前置放大器放大倍數(shù)為4，CMRR=80dB，Rin5M 無源高通 RC耦合放大器的低頻響應(yīng)0.5Hz 儀表放大器 放大倍數(shù)50第二部分 光電隔離 增益為1第三部分 高通與放大 高通截止頻率0.5HZ，放大增益為2第四部分 低通濾波器 低通截止頻率100HZ第五部分 50HZ陷波器第六部分 后級放大 增益為6倍（4）運放均為LM324。（5）前端電路5V供電，后端電路12V供電。三 單元電路設(shè)計 設(shè)置保護電路作為生物醫(yī)學(xué)測量的生物醫(yī)學(xué)放大器在前級設(shè)置保護人體安全和保護放大器的電路是很必要。保護電路使通過電流保持在安全水平，同時考慮到作用于人體的其他醫(yī)學(xué)測量設(shè)備或可能重在的某種干擾對放大器的破壞作用。保護電路要求在輸入出現(xiàn)5000V高壓時不會損壞電路，二級管D1D4選用低漏電的微型二極管IN4148，其最大允許通過的瞬時電流是100mA，因此限流保護電阻選R0=R0=50K。前置放大器根據(jù)腦電信號的特點，其前置放大器應(yīng)滿足以下幾個要求：1）高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內(nèi)阻為100k，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于5M。2）高共模抑制比CMRR。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾。前置級須采用CMRR高的差動放大形式，能減少共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。共模抑制比應(yīng)在80dB以上，最好高于100dB。3）低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩(wěn)定。參數(shù)選擇a由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達300mV，因此，生物電放大器的前級增益不能過大，避免放大到后級飽和失真，本電路選為1=4。同時由于存在比較大的電極電壓，導(dǎo)致工作點產(chǎn)生漂移。為使其不致偏移出放大器的線性工作區(qū)，要求前置放大器有寬的線性工作范圍，以使心電信號不發(fā)生波形失真。b由于信號源內(nèi)阻可達幾十K、乃至幾百K，所以，生物電放大器的輸入阻抗必須在幾M以上。故前級形式上采用A1、A2并聯(lián)的高差動輸入阻抗的放大電路，在理論上，若運放理想，因并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，使共模抑制比也無窮大；理論其共模抑制比與外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。c實際差動放大電路的共模抑制比受到放大電路的閉環(huán)增益、外圍電路電阻匹配精度以及放大器件本身的共模抑制比（CMRRD）等諸多因素的影響。d除有源器件外，各回路的電阻均貢獻噪聲，而且與其在電路中的位置有關(guān)。與A1、A2端相連的R1、R2的噪聲相對影響最大。在低噪聲設(shè)計中除了認(rèn)真選擇低噪聲類的電阻外，在有源器件的允許條件下，盡量選擇低阻值的外回路電阻。前級總等效輸入噪聲電壓與（1+2R2/R1）成反比，適當(dāng)加大R2/R1值有利于降低噪聲。實驗表明，當(dāng)（R2/R1）5時，噪聲有明顯的增加。儀表放大器AD620AD620是一種只用外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為11000的低功耗、高精度儀表放大器。盡管AD620由傳統(tǒng)的三運放放大器發(fā)展規(guī)律而成的，但一些主要功能卻優(yōu)于三運放的儀表放大器設(shè)計，電源范圍寬（2.3V18V），設(shè)計體積小，功耗非常低（最大供電電流僅為1.3mA）。因而使用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。放大倍率計算公式：共模抑制電路右腿驅(qū)動電路體表驅(qū)動電路是專為克服50Hz共模干擾，提高CMRR而設(shè)計的，原理是采用以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負反饋，其方法是取出前置放大級中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動電路倒相放大后再加回體表上，一般的做法是將此反饋共模信號接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動。通常，病人在做正常的心電檢測時，空間電場在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴(yán)重。而使用右腿驅(qū)動電路就能很好地解決了上述問題。下面兩個圖片就是右腿驅(qū)動電路主要構(gòu)成。其中反饋共模電壓可以消除人體共模電壓產(chǎn)生的干擾，還可以抑制工頻干擾。右腿不直接接地，而是接到輔助放大器A3的輸出端。從兩電阻的結(jié)點檢出經(jīng)輔助反向放大器放大的供模電壓。可以在很大程度上抑制共模干擾.綜合以上幾部分的總電路光電隔離心電放大器的漏電流會使做心電檢測的對象受到電擊。為保證安全，必須采取隔離措施將與受檢者相連的輸入部分和前置放大部分的地線同同整機的地線相隔離參數(shù)說明：1）R1=R2=R3=1 前級電路把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成與之正比的電流信號，經(jīng)光電耦合器耦合到后級，光電耦合器中的硅光敏三極管輸出電流信號。第二個運放將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電路中的三極管補償光電耦合的非線性。2）VS5V，電池5V供電； VC12V，為交流電穩(wěn)壓到12V后直接供電；3）光電耦合用TLP521-14）R6R7=330,C1=1,fo=0.48HZ高通（主要用于隔直流）與放大參數(shù)說明：C=10,R=200K,R1=400K,放大倍數(shù)Adv2=2因為光電耦合后，可能出現(xiàn)直流的漂移，所以電容來隔直流。六階高頻信號濾波電路（低通電路）高頻濾波可用專用開關(guān)電容多階濾波器或巴特沃斯濾波器或其他濾波電路，時間常數(shù)可用一般的RC電路。設(shè)計中選用巴特沃斯濾波器。不同階數(shù)的巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性不同,濾波器的階數(shù)N越高，幅頻特性衰減的速度越快，就越接近于理想幅頻特性。一個N階濾波器可以用多個二階濾波器（n為偶數(shù)時）或一個一階濾波器和多個二階濾波器組成（n為奇數(shù)時）。在設(shè)計中用六三階階濾波器就可以了。將三個二階濾波器參數(shù)說明：截止頻率f0=100HZ 根據(jù)歸一化公式得R1=R2 =R3=R4=R5=R6=10K C1C20.15F,C3=0.22F,C4=0.1F,C5=0.67F C6=0.047F 消除50HZ共頻干擾用手觸摸示波器便能觀察到人體上耦合的50HZ電壓波。如圖所示Cd1為人體50HZ，220V饋電線之間的分布電容。Cd2為人體與大地之間的分布電容。Cd1Cd2.若取Cd2=10Cd1。人體Ucm完全淹沒生物信號，即使采用差動放大器。50HZ干擾電壓作為共模電壓，也會超過放大器輸入端的動態(tài)范圍，所以對50HZ干擾做單獨處理。帶阻濾波器電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的所有信號通過。這種濾波電路也叫陷波電路，經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。在設(shè)計當(dāng)中尤其要注意帶阻濾波器防止發(fā)生如切頻等情況。在=50Hz之外的信號可以通過，而在陷波處把要濾除的信號濾除掉。設(shè)計中采用RC雙T帶阻濾波器。采用LM324構(gòu)成的雙T網(wǎng)絡(luò)進行限波。限波50Hz.由于雙T網(wǎng)絡(luò)中，限波頻率對電容、電阻的匹配很敏感；當(dāng)選擇1%電阻和5%的電容時能產(chǎn)生好的濾波效果.理論上，33.8 K的電阻在實際連接的過程中為29.6 K，使陷波的頻率在49.550.5HZ參數(shù)說明：計算的理論參數(shù)：R1=R2=68K R3=34 K 電位器R520 K（調(diào)節(jié)陷波深度） R4500C1=C2=0.0047F C3=0.1Ffo=49.79HZ實際選用的參數(shù)：R1=R2=60,R3=30,C1=C2=0.0056F,C3=0.1F說明：雙有源濾波器用來抑制工頻干擾。接成電壓跟隨電路，輸入阻抗高，輸出阻抗低，同時可以提高濾波器的帶負載能力。調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)中心頻率。后級放大器負反饋放大6倍（后加了一個可變電阻來調(diào)節(jié)增益），加高通濾波，隔斷由于放大器失調(diào)產(chǎn)生的直流電壓。參數(shù)說明： C1=100 R1=20 f0=0.5HZ, R3=120 Ad=6穩(wěn)壓電路采用的是三端集成穩(wěn)壓器上端電路輸出12V，下端電路輸出12V。電路的前端為全波整流電路。7812輸入端正常的輸入電壓為2050V。所以經(jīng)過整流后的電壓必須在這個范圍內(nèi)，才能得到穩(wěn)定的輸出，輸入電壓至少要比輸出電壓高23V。電路中接入的電容1000、0.11用來實現(xiàn)頻率補償，防止自激振蕩、減小高頻噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。200用以減小由輸入電壓引入的低頻干擾。D為保護二極管，當(dāng)輸入端短路時給一個放電回路，防止調(diào)整管的發(fā)射結(jié)擊穿。前面的變壓器將220V降壓到2050V。三端穩(wěn)壓價格十分便宜，網(wǎng)上報價為0.79元。小結(jié)：原設(shè)計用DC/DC隔離但在實驗中由于資金問題沒有用DC/DC隔離轉(zhuǎn)換，前級用電池供電前置放大的運放采用的是LM347，為減少噪聲，得到更高的共模抑制比附：TLP521-1參數(shù)管腳圖 LM324主要參數(shù)電壓增益 100d B單位增益帶寬 1MHZ單電源工作范圍 3V30V輸入失調(diào)電壓 2mV(最大值7mV)輸入失調(diào)電流 5nA50 nA輸入共模電壓范圍 V-V+-1.5V (雙電源時)輸出電流 40mA放大器間隔度 120dB測試報告一 前置放大部分（1）靜態(tài)工作點 將放大器兩輸入端對地短路，測量輸出電壓V=6.9mV（2）輸入噪聲 按(1)測出電壓，計算輸入噪聲Vin=0.054mV（3）輸入阻抗 將輸出接地，用萬用表電阻檔測量兩個輸入端Rin=42.2M 在輸入端串聯(lián)一個電阻，測量串聯(lián)電阻后的輸出電壓Vo1然后再測出不串聯(lián)該電阻時的輸出電壓Vo2，根據(jù)該電阻所分得的電壓，計算輸入電阻（4）輸出阻抗 Rout=0.6（5）差模增益 將電壓接到一個輸入端，另一端接地，測量輸出電壓，計算差模增益Vi=18.45mV,Vo=2.32V Ad=126（6）共模增益 將放大器輸入端共同接同一電壓，記入輸出電壓，計算共模增益Vi=2V Voc=0.035V Ac=57（7）計算共模抑制比 CMRR=20=77由于共模抑制比不夠高，所以波形的噪聲較大，信噪比不高。（8）零點漂移 將放大器的輸入對地短接，相隔10分鐘，用示波器兩次觀察輸出電壓的變化并計算 零點漂移0.99mV二 光電耦合理論上不應(yīng)有放大的，但卻放大了3倍多，跟同學(xué)討論后認(rèn)為可能是溫度對光耦器件的影響導(dǎo)致的）輸入電壓（V）輸入電流（mA）輸出電壓（V）輸出電流（mA）電流傳遞函數(shù)1.0012.952.96Io=2.98Ii1.51.54.454.44721.986.006.002.382.367.107.09三 低通濾波器理想截止頻率為100HZ輸入電壓為12.2V，測量的電壓數(shù)據(jù)列表80.74HZ90.04HZ94.2HZ96.53HZ100HZ109.1HZ12.20V10.20V9.00V8.45V（0.707）7.65V6.05V115.9HZ120.4HZ148.8HZ160HZ240HZ276.84.30V3.50V1.20V0.60V0.1840.00V帶寬有些大了，所以引入了一些肌電信號，加大了干擾。四 50HZ陷波輸入電壓12.2V,測量電壓數(shù)據(jù)列表13.86HZ25.88HZ30.08HZ36.23HZ39.96HZ42.65HZ12.2V12.15V11.9V10.85V10.158.55(0.707V44)47HZ49.82HZ54.55HZ58.71HZ60.59HZ74.65HZ3.98V0.790V（中心頻率）5.50V8.55(0.707V)9.35V12.15V五 總體參數(shù)未加后級放大部分（參數(shù)是由示波器測量的，加上后級放大后，超過量程無法測量，所以將電路分為兩次測量）輸入