腦電放大器設(shè)計報告

1、3004202341陳露詩腦電放大器設(shè)計報告（直流供電） 指導(dǎo)老師： 李剛教授 精密儀器與光電子工程學(xué)院 04級生物醫(yī)學(xué)工程二班陳露詩 300420234120061226腦電放大器（電池供電）設(shè)計報告3004202341陳露詩2007一、設(shè)計目的與意義） 腦電概述腦電信號是與反映大腦神經(jīng)活動有關(guān)的生物電位，由皮層內(nèi)大量神經(jīng)元突出后電位同步總和所形成的，是許多神經(jīng)元共同活動的結(jié)果。對它進(jìn)行檢測可用于神經(jīng)診斷和認(rèn)知生理心理學(xué)研究，以及康復(fù)領(lǐng)域。現(xiàn)在已明確，在頭皮上引導(dǎo)的腦電波振幅，在正常情況下，從波峰到波底為5200µV（而從大腦皮層上引導(dǎo)的電位變化可達(dá)到1mV）其頻率范圍從小于1Hz

2、到100Hz，波形因不同的腦部位置而異，并與覺醒和睡眠的水平相關(guān)，且存在很大的個體差異，也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現(xiàn)。因而腦電信號放大和采集的實現(xiàn)仍是一個難題。而實現(xiàn)腦電信號放大的主要困難在于高增益放大的同時去除各種干擾。通過電極和導(dǎo)線從頭皮上或者從大腦皮層上直接將大腦產(chǎn)生的節(jié)律性電位變化，傳送至特制的記錄裝置腦電圖機(jī)上記錄下來，形成動態(tài)曲線，這就是通常稱為的腦電圖（electroencephalogram,EEG），腦電圖反應(yīng)了大腦皮質(zhì)的自發(fā)腦電活動。走紙傳動時標(biāo)筆聲光刺激器時標(biāo)信號發(fā)生EEG記錄ECG放大器輸入盒導(dǎo)聯(lián)選擇2號EEG放大器3號EEG放大器8號EEG放大器2

3、號EEG放大器校正信 號前置放 大控制網(wǎng) 絡(luò)干擾抑 制增益調(diào) 節(jié)主放大 器EEG記錄圖11腦電機(jī)框圖由于腦電信號非常微弱，通常在µV量級，所以腦電放大器的前置放大器應(yīng)有較高的要求，應(yīng)由較低的輸入噪聲（3Vp-p）、高增益（50010000倍）、高共模抑制比（應(yīng)大于80dB）、低漂移和高輸入阻抗（10M）等要求。通常腦電前置放大器采用三運(yùn)算放大器電路，采用低噪聲場效應(yīng)管作為輸入級，用同向輸入方式，以確保高阻抗和低噪聲。腦電圖機(jī)的主放大器包括后級放大及功率放大，以獲得足夠的功率輸出。為了實現(xiàn)腦電信號的放大以便于觀測，我設(shè)計的腦電放大器重點在設(shè)計上圖虛線框里的部分。）腦電信號分析腦電圖是一

4、種隨機(jī)性的生理信號，其規(guī)律性遠(yuǎn)不如心電圖那樣明確，通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷的主要依據(jù)，而頻率成分顯得尤為重要。因為大腦活動的程度與腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有密切的關(guān)系。一般將正常腦電活動相關(guān)的腦電波頻率范圍劃分為五種類型，頻率由高到低，依次為波、波、波、波、波（表2-1）表2-1 腦電圖中各波的頻率范圍和幅值類型頻率范圍峰值波波波波波813Hz1330Hz48 Hz0.54 Hz31 Hz520µV <20µV<100µV<100µV<2µV）設(shè)計目的實現(xiàn)對正常人腦電信號的放大，查明腦電圖中各類波的比例，

5、并觀察比較不同頻率的腦電信號的波形、強(qiáng)弱特點。二、系統(tǒng)設(shè)計電極導(dǎo)聯(lián)與信號輸入無源高低通濾波信號輸出后級放大50HZ陷波低通濾波前置放大穩(wěn)壓源設(shè)計模塊前置放大器采用低噪聲、低漂移的精密儀表放大器AD620作為主放大器，前級采用兩個單運(yùn)放OP07運(yùn)放放大器組成并聯(lián)型差動放大器。在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣，可為后級儀器放大器提高增益，進(jìn)而為提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，還采用了共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻

6、容元件參數(shù)不對稱導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。50HZ工頻陷波采用了可調(diào)Q值的雙T型網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)高精度的陷波。后級放大采用兩個反相器級聯(lián)。為了有效抑制干擾，還采用了多芯屏避電纜。前級放大倍數(shù)為500倍，由并聯(lián)型差分輸入電路與前置主放大共同作用實現(xiàn)。其中信號經(jīng)過并聯(lián)差分放大5倍，然后再經(jīng)過AD620放大100倍。后級放大20倍，由兩個反相器串聯(lián)實現(xiàn)。由于我的設(shè)計目的是為了觀察腦電信號波形的差異，為了盡量減少不必要頻率的信號對觀測造成干擾，即為了盡量抑制噪聲，我選擇將信號頻率帶寬設(shè)為0.5HZ35HZ。在調(diào)試電路中，先經(jīng)過儀表放大器對來自頭皮電極的腦電信號進(jìn)行前置放大。然后，對放大過的信

7、號進(jìn)行低通濾波及補(bǔ)償、50HZ工頻陷波和后級放大調(diào)整后進(jìn)入示波器進(jìn)行觀察。三、單元電路的設(shè)計1.無源高低通濾波與前置放大參數(shù)選擇l 無源高通濾波(阻容耦合電路)：截止頻率fc=HZ：參數(shù)選擇：R6=R7=470k，C1=C2=1Fl 前級放大增益設(shè)置：前置放大電路的增益主要有兩部分組成，第一部分是差分放大電路，第二部分是儀用放大器。由于電極噪聲的存在，差分放大電路的放大倍數(shù)不宜太大，在這里設(shè)置為5倍左右，后面儀用放大器設(shè)置為100倍左右：K1=1+2R1/R3=5；K2=49.6K/RG+1=100；參數(shù)選擇：R1=R2=82K,R3=39K;RG=500l 共模抑制比： l 右腿驅(qū)動電路：為

8、了減小位移電流的干擾并減小共模電壓采用了右腿驅(qū)動電路。從圖中可以看到右腿這時不是直接接地，而是接到輔助放大器的輸出，從R4、R5兩電阻接點檢出的共模電壓經(jīng)放大器后，再通過Ro反饋到右腿。人體的位移電流這時不再流入地，而是流向Ro。Ro在此起安全保護(hù)的作用，當(dāng)人和地之間出現(xiàn)較大的電位時，輔助運(yùn)放飽和，相當(dāng)于地，Ro此時起限流保護(hù)的作用。電路由U3、R5、Rf、C5、R0組成，C5的作用是使右腿驅(qū)動電路穩(wěn)定。R0=100K，Rf=10M，R5=10K，C5=4.7F。當(dāng)輔助運(yùn)放不飽和時，所以，采用右腿驅(qū)動電路可以減小人體與地之間的共模電位。共模電壓為Vcm=Rcm×Id；共模等效電阻為R

9、cm=R0/（1+2RF/R9），在選擇參數(shù)時要盡量減小共模等效電阻。l 共模取樣驅(qū)動電路：由兩個等值電阻R6、R7和運(yùn)算放大器U3（LM324）跟隨器構(gòu)成。U3的輸入信號取自U1和U2輸出端和兩個串聯(lián)電阻R6、R7的中點電壓Vc，即Vc=當(dāng)只有差模信號的輸出Vo1=-Vo2時，有Vc=0。則運(yùn)放A3的輸出電壓為零，等同于接地：而當(dāng)兼有共模電壓和差模信號輸入時，U3的輸出只包含輸入信號的共模部分Vc=從而使得共模信號不經(jīng)阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，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。l 放大器U4選用AD620；U1、U2選用具有高輸入阻抗的放大器OP0

10、7；U3選用LM324；AD620是高增益高輸入阻抗的精密儀用放大器，可供電范圍±2.3to±18V，雙端供電范圍廣，易調(diào)節(jié)；MAX4194雙端供電范圍為±2.7to±3.3V，不在此范圍內(nèi)的供電電壓都難以使MAX4194正常工作，單端供電5V18V，但雙端供電因為涉及到信號地較為麻煩，而且設(shè)計電路經(jīng)常需要調(diào)試，多次使用或不慎使用很易造成其燒毀。故雖然MAX4194具有軌至軌輸出、高增益調(diào)節(jié)、低噪聲、低漂移等優(yōu)良特性，但與AD620相比，我還是選擇了后者作為我的主放大器。、低通濾波：本設(shè)計要求濾波器的陡度系數(shù)要高，即波形要下降的速度較快。要求通帶截止頻率

11、p=35HZ，通帶內(nèi)增益K=500且保持平坦，在阻帶截止頻率r=50HZ處至少衰減20dB，4.7，因此濾波器至少應(yīng)設(shè)為五階。方案一：六階巴特沃思低通濾波器l 設(shè)置低通濾波的截止頻率為35HZ。l 歸一化值：C1=1.035F,C2=0.9660F,C3=1.414F,C4=0.7071F,C5=3.863F,C6=0.2588F；R1=R2=R3=R4=R5=R6=1l FSR=2fc=628;Z=104l 去歸一化后的標(biāo)稱值C1=470nF，C2=470nF，C3=680nF，C4=330nF，C5=2.2F,C6=0.1F；R1=R2=R3=R4=R5=R6=10K測試結(jié)果l 如右圖所示

12、：可從圖中看出輸出波形有波紋，且50HZ頻率的輸入信號的輸出波形幅值約為100mV。通帶截止頻率為35.56HZl 測試數(shù)據(jù)為：頻率/HZ1.4413.0025.01810.2415.120.0224.9329.9935.56幅值/V0.60.6560.670.650.650.6280.610.5840.474頻率/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,其電路圖如左圖,電容C的計算公式：時鐘信號計算公式：F

13、osc=100fc經(jīng)R、C調(diào)整后，可按如下公式選取參數(shù)選?。篟=17.1517K（真實值17.5K）；C=0.47F（真實值0.465F）；Cosc=1410.75PF（真實值1500PF）l 測試結(jié)果：通帶截止頻率為34.36HZ頻率/HZ1.5213.6420.0634.3639.9149.976079.9890.06100幅值/V110.9760.7060.4060.1440.0580.0150.0090.006可見由MAX280組成的低通濾波電路不僅電路結(jié)構(gòu)簡單，而且濾波曲線光滑。本設(shè)計采用此設(shè)計方案。、50HZ陷波器參數(shù)選擇：中心頻率fc=；品質(zhì)因素：Q=，Q值不易選太大，否則易產(chǎn)生

14、自激，一般選十到幾十左右取Q=20，K=0.975；C1=C2=0.1F，C3=0.22F；R1=R2=30K，R3=15K，R4為10k電位器，R4=100K。、后級放大電路圖如右圖所示：采用反相放大器進(jìn)行后級放大。前端加有電容，隔直用。放大器正輸入端接有平衡電阻，減少直流偏置。1）測心電用：增益A1=-R2/R1=-2；參數(shù)選擇：C1=1F（真實值0.712F），R1=508K，R2=992K，平衡電阻為R3=R1/R2=326K。高端截至頻率為：0.44HZ。） 測腦電用：增益A2=-R2/R1=-20； 運(yùn)放電壓跟隨器法電路圖參數(shù)選擇：取R1=220K，R2=4.7M，平衡電阻為R3=

15、R1/R2=210K；C1=2.2F。、電源設(shè)計方案一：利用四節(jié)干電池供電，中間接地，將另一端j拉至-3v。此方案實現(xiàn)較為簡單，但電池節(jié)數(shù)太多，不利于整機(jī)攜帶。所以可選電池盒來雙端供電。方案二：采用單電源供電，可減少電池節(jié)數(shù)，但需要單獨引地線較為麻煩。因為選用的前置主放大器芯片是MAX4194，其雙端供電電壓為±2.7±3.3V，不在此范圍內(nèi)的供電電壓難以使之工作，對于電池供電很難保證電池電壓在此范圍內(nèi)，所以考慮到使用單端供電。供電方法如圖所示：由于采用單端供電，產(chǎn)生了一個幅值為Vcc2的偏置電壓，可以獲得最大的輸出動態(tài)響應(yīng)范圍。（此處放大器的接地端為信號地）性能說明：&#

16、169; High-Power (1.8W) 8-Pin SOPackage© Dual Mode Operation: Fixed or AdjustableOutput from 1.25V to 11V© Large Input Range (2.7V to 11.5V)© Internal 500mA P-ChannelPass Transistor© 15A Typical Quiescent Current© 2A (Max) Shutdown Mode© Thermal Overload Protection©

17、 Reverse-Current Protection、穩(wěn)壓電路：用集成芯片實現(xiàn)穩(wěn)壓。MAX603可實現(xiàn)1.25V-11V的穩(wěn)壓輸出。四、總結(jié)1 在前級放大之前不宜加無源高通濾波。如果輸入端設(shè)置電容隔置電路，勢必會破壞輸入端的平衡，使共模抑制能力下降。前級放大采用并聯(lián)型差分輸入以提高輸入阻抗和共模抑制比；還采用了右腿驅(qū)動電路以減小共模輸出。2 為了減小50Hz交流電對共模信號的干擾，采用右腿驅(qū)動電路：即人右腿不直接接地，而是通過限流電阻與驅(qū)動放大器相連，當(dāng)病人和地之間，由于漏電或其它原因出現(xiàn)高電壓時，右腿放大器立即飽和，這相當(dāng)于病人不直接接地，減少了電擊的危險。陷波器采用可調(diào)Q值和可調(diào)中心頻率的雙T型陷波網(wǎng)絡(luò)，避免了陷波不徹底及陷掉其他頻率波形的弊端3 將導(dǎo)聯(lián)線互相絞合，減少引線環(huán)路面積，空間磁感應(yīng)干擾。4 由于導(dǎo)線屏蔽層與芯線間的分布電容不對稱性，故屏蔽導(dǎo)聯(lián)線總長不應(yīng)超過3米。5 為了保證穩(wěn)定的直流輸入，采用了反饋調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓電路，可以達(dá)到較好的穩(wěn)壓效果。6 放大電路利用了儀器放大器的共模抑制比和增益的關(guān)系。結(jié)合右腿驅(qū)動電路、單片集成濾波器，實現(xiàn)了放大器的高性能。附圖：AD620管腳圖及