基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

課程設(shè)計說明書題目基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計與仿真學(xué)院（系）：年級專業(yè)：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：目錄1課程設(shè)計的目的………………42課程設(shè)計的規(guī)定………………43腦電放大濾波的方案設(shè)計……54腦電儀采集電路………………54.1前置放大電路…………54.2高通低通濾波電路………………84.350Hz工頻陷波………104.4電平二級放大電路………………125課程設(shè)計總結(jié)……………………136參考文獻(xiàn)………………141課程設(shè)計的目的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)元突出后電位同時總和所形成的，是許多神經(jīng)元共同活動的成果。對它進(jìn)行檢測可用于神經(jīng)診療和認(rèn)知生理心理學(xué)研究，以及康復(fù)領(lǐng)域?，F(xiàn)在已明確，在頭皮上引導(dǎo)的腦電波振幅，在正常狀況下，從波峰到波底為5~200μV（而從大腦皮層上引導(dǎo)的電位變化可達(dá)成1mV）其頻率范疇從不大于1Hz到100Hz，波形因不同的腦部位置而異，并與覺醒和睡眠的水平有關(guān)，且存在很大的個體差別，也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的體現(xiàn)。因而腦電信號放大和采集的實現(xiàn)仍是一種難題。而實現(xiàn)腦電信號放大的重要困難在于高增益放大的同時去除多個干擾。腦電圖是一種隨機性的生理信號，其規(guī)律性遠(yuǎn)不如心電圖那樣明確，普通將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診療的重要根據(jù)，而頻率成分顯得尤為重要。由于大腦活動的程度與腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有親密的關(guān)系。普通將正常腦電活動有關(guān)的腦電波頻率范疇劃分為五種類型，頻率由低到高，將正常的腦電信號劃分為δ(0.5～3.5Hz),θ波(4～7Hz),α波(8～13Hz),β波(18～30Hz),γ波(31Hz以上)。本課程設(shè)計目的是設(shè)計一種低功耗腦電儀采集電路。腦電信號采集模塊重要由腦電采集電路、信號放大電路、濾波電路和AD采樣電路構(gòu)成。腦電信號十分微弱且有較多干擾，因此在電極采集到心電信號之后，先通過放大電路將信號高保真放大，然后再通過濾波電路濾除諸多干擾得到較高信噪比的心電信號，最后進(jìn)行AD采樣。2設(shè)計規(guī)定及注意事項由于腦電信號十分微弱，普通在微幅量級，因此腦電放大器的前置放大器應(yīng)有較高的規(guī)定，應(yīng)有較低的輸入噪聲，高增益，高共模克制比低漂移和高輸入阻抗等規(guī)定。具體參數(shù)規(guī)定以下：增益：500~1000倍共?？酥票龋翰徊淮笥?0dB輸入阻抗：不不大于10兆歐姆同時滿足安全、實用、可靠等特點干擾信號重要來源：1．工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引發(fā)，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號及其諧波構(gòu)成。幅值普通與ECG峰峰值相稱或更強。2．電極接觸噪聲。電極接觸噪聲是瞬時干擾，來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢測系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的，如病入的運動和振動造成松動；也可能是固定的，檢測系統(tǒng)不停的開關(guān)，放大器輸入端連接不好等。3．肌電干擾(EMO)肌電干擾來自于人體的肌肉顫動，肌肉運動產(chǎn)生毫伏級電勢。EMG基線普通在很小電壓范疇內(nèi)因此普通不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲，重要能量集中在30Hz～300Hz范疇內(nèi)。另外尚有人為因素、基線漂移、呼吸影響等因素干擾。3腦電放大濾波的方案設(shè)計由傳感器采集到的腦電通過前置放大電路進(jìn)行放大，在通過濾波器進(jìn)行濾波出去噪聲和干擾，最后得到可用的腦電波形。最紅通過電平提高電路將低電平提高到AD轉(zhuǎn)換器可用的電壓。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1便攜式腦電儀采集系統(tǒng)的整體框圖其中由于被測信號是微弱的電流信號,放大容易引發(fā)電壓電流的失調(diào),以及零點漂移、自激干擾等現(xiàn)象;尚有背景噪聲、電路噪聲、元器噪聲的影響。上述這些因素對微弱信號放大器的精度、穩(wěn)定度規(guī)定很高,這時普通的運算放大器和儀用放大器已經(jīng)無法滿足精度的規(guī)定。最后前置放大電路選用集成運算放大器ICL7650。高通濾波重要是濾除電路中的直流成分,如:極化電壓等,本設(shè)計中采用的是一階無源高通濾波器,放在隔離級之后,主放大電路之前,來消除直流成分的干擾。低通濾波器是用來通過低頻信號、衰減或克制高頻信號。設(shè)計中采用了相頻特性較好的巴特沃斯壓控電壓源式電路(VCVS)。為了使濾波特性更靠近抱負(fù)狀況,使用了四階低通濾波電路,由兩個二階濾波電路級串聯(lián)而成。最后在通過反向放大得到最后可用的波形。4腦電儀采集電路4.1前置放大電路采用ICL7650芯片進(jìn)行放大，其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示圖2ICL7650內(nèi)部構(gòu)造ICL7650是Intersil公司運用動態(tài)校零技術(shù)和先進(jìn)的CMOS工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器。電路設(shè)計技術(shù)和先進(jìn)工藝研制成功的第四代集成運算放大器。ICL7650除了含有普通運算放大器的特點和應(yīng)用范疇外,還含有高增益、高共?？酥票取⑹д{(diào)小和低漂移等特點。特點以下:輸入阻抗:1012Ω;輸入偏置電壓平均溫度系數(shù):0101uV·℃-1;輸入偏置電流:<10pA;開環(huán)增益:≥120dB;轉(zhuǎn)換速率:215v·us-1;單位增益帶寬:2MHz最后的前置放大電路以下圖3所示。圖3前置放大電路將Vab作為電壓放大器的輸入信號。因此電壓放大器的輸出電壓為:Vo=（1+R3/R2）*Vi事實上,考慮運算放大器不是抱負(fù)的,其增益為有限值,則電路的反饋深度為:F=R3/(R2+R3) 根據(jù)負(fù)反饋放大器的增益計算公式能夠得到該同相放大器的實際增益為:A1=A/（1+AF）。Multisim軟件仿真的圖4，圖5所示。圖4前置放大電路的multisim的仿真電路圖圖5前置放大電路的仿真波形4.2高通和低通濾波電路（1）高通濾波由R1、C1構(gòu)成,其截止頻率為:f=1/(2π*R1*C1)=0.05Hz其測控電路圖如圖6所示圖6高通濾波電路圖其對應(yīng)的multisim仿真電路圖，波形圖以下圖7、8、9所示。圖7高通濾波multisim仿真電路圖圖8高通濾波multisim仿真幅度波形圖v圖9高通濾波multisim仿真幅度相位圖（2）由于容抗1/SC與信號頻率f成反比,高頻段時容抗很小,電容串聯(lián)時將給高頻信號提供暢通之路,反之低頻時容抗很大,電容串聯(lián)時將使低頻信號得到衰減和克制。R2～R5、C2～C5和U1A、U1B構(gòu)成四階低通濾波器,由于自發(fā)腦電信號的頻率重要都在50Hz下列,為此設(shè)計其截止頻率為:其對應(yīng)的測量電路圖如圖10所示圖10低通濾波電路圖其對應(yīng)的multisim仿真電路圖，波形圖以下圖11、12、13所示。圖11低通濾波multisim仿真電路圖圖12低通濾波multisim仿真幅度波形圖圖9低通濾波multisim仿真幅度相位圖4.350HZ工頻陷波陷波器是運用壓電效應(yīng)制成的帶阻濾波器,它的作用是制止或濾掉信號中干擾成分在腦電信號的采集過程中,存在50Hz的工頻干擾,即使前置放大電路對共模干擾含有較強的克制能力,但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進(jìn)入電路的,對腦電信號造成嚴(yán)重的干擾,必須加以濾除。消除工頻干擾的辦法是使用帶阻濾波器,它能夠使在規(guī)定的頻帶內(nèi),信號不能通過(或受到很大衰減或克制),而在其它頻率范疇,信號則能順利通過。帶阻濾波器又稱陷波器。運用雙T網(wǎng)絡(luò)和運算放大器構(gòu)成的有源雙T帶阻濾波電路,是作為克制腦電信號測量中的工頻干擾而經(jīng)常采用的陷波電路構(gòu)造。圖4為本系統(tǒng)采用的有源雙T網(wǎng)絡(luò)陷波電路。在圖4所示的50Hz陷波電路中,陷波器的中心頻率為:f=1/(2π*R1*C1)陷波器參數(shù)的擬定首先通過計算,另首先還要通過實驗檢測其濾波效果。本設(shè)計中R1=R2=2R3=R,C1=C2=C3/2,根據(jù)上式算得f為50.2Hz,實際測得陷波器的中心頻率為50.4Hz,滿足設(shè)計規(guī)定。陷波器的品質(zhì)因素Q,決定濾波器的選擇性,高Q對應(yīng)較窄的阻帶而低Q對應(yīng)較寬的阻帶。Q值的計算公式為:Q=1/（4*（1-F））,式中F為電路反饋系數(shù):F=R5/(R4+R5)選用R1=261K,R2=54.9K,計算可得F=0.8,Q=1.25。這種陷波器電路能有效地濾除50Hz工頻產(chǎn)生的干擾,并且Q值的提高確保了有用信號不被衰減。R4=(1-F)R,R5=FRF值取值影響陷波電路的頻帶寬度。F值越大,頻率選擇性越好。但是F值太高,濾波器的性能不穩(wěn)定,當(dāng)元器件受溫度等環(huán)境影響參數(shù)發(fā)生變化時,會使陷波點發(fā)生移動,工頻干擾就得不到有效的克制。普通F取0.8左右。另外雙T網(wǎng)絡(luò)中,兩支路的R,C的對稱程度決定陷波點的衰減能達(dá)成的最低程度。只有保持R和C的嚴(yán)格對稱關(guān)系,才干使對應(yīng)于工頻的信號互相抵消,衰減到零。對于ω0=50Hz,F=0.82,取C=10nF,則R=316K。其對應(yīng)電路圖以下圖13所示圖1350Hz工頻陷波電路圖其對應(yīng)的multisim仿真電路圖和波形圖如圖14、15所示圖1450Hz工頻陷波multisim仿真電路圖1550Hz工頻陷波multisim仿真相位圖圖1550Hz工頻陷波multisim仿真相位圖４．4、后級放大采用反相放大器進(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。電路圖以下圖增益A2=-R2/R1=-20；參數(shù)選擇：取R1=220KΩ，R2=4.7MΩ，平衡電阻為R3=R1//R2=210KΩ；C1=2.2μF其對應(yīng)的multisim仿真電路以下圖16,17所示圖16后級放大電路multisim仿真圖圖17后級放大電路multisim仿真波形圖由前置放大和此級放大聯(lián)合起來選用不同參數(shù)即可將采集到的信號放大的500倍以上。5課程設(shè)計總結(jié)通過這周的課程設(shè)計，使我更進(jìn)一步的理解了測控原理的有關(guān)知識，加深了對腦電方面知識的理解，初步達(dá)成了設(shè)計目的和規(guī)定，同時掌握的multisim仿真軟件的基本應(yīng)用，提高了自己的實際實踐能力。明白了設(shè)計一種有關(guān)腦電采集系統(tǒng)應(yīng)從哪幾方面入手。另外也加強了我收集資料和整頓資料的能力，提高了自己動手分析問題、解決問題的能力。這些都對我后來的工作進(jìn)行了即時的訓(xùn)練。并且在設(shè)計中碰到了許多問題，在對這些問題的解決上，也是對我個人能力的煅煉。并且這些問題的出現(xiàn)很有價值，是值得重視的,需要在我后來的學(xué)習(xí)中不停的加以完善和提高。但總的來說,通過這次的設(shè)計實驗，進(jìn)一步地增強了我的實際動手能力使我的理論與實踐能力相結(jié)合，從而在整體上提高了本身的學(xué)習(xí)能力和理論素養(yǎng)。腦電信號作為一種重要的生物電信號,在進(jìn)行大腦疾病診療的過程中需要對其進(jìn)行統(tǒng)計,以提供臨床數(shù)據(jù)和診療的根據(jù),因此腦電信號采集系統(tǒng)含有非常重要的臨床意義。本設(shè)計通過前置放大、高通、低通濾波器和50Hz工頻陷波器的合理設(shè)計與仿真實現(xiàn),克服了腦電信號提取中常碰到的某些困難,為腦電信號解決及特性提取提供一定的理論參考和分析。6參考文獻(xiàn)[1]譚郁玲.臨床腦電圖與腦電地形圖學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,1999.[2]蔡建新,張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1997.[3]劉靜.