脑电信号采集中工频陷波电路的设计

收稿日期 : 2009 - 08 - 10 脑电信号采集中工频陷波电路的设计 史志怀 , 万遂人 (东南大学 　生物科学与医学学院 , 江苏南京 210096) 〔中图分类号〕TP3 　　〔文献标识码〕A 　　〔文章编号〕1002 - 2376 (2009) 11 - 0012 - 02 　　〔摘 　要〕本文设计了一种实用的工频陷波电路 , 陷波深度实测可达 - 32dB , 中心频率点、Q 值调整方 便 , 频率选择性好。本文对其幅频特性进行了仿真 , 并在实际电路中对幅频特性进行了测量。 　　〔关键词〕工频干扰 ; 陷波器 ; 幅频特性 0 　引言 脑电信号属于低频微弱信号 , 其幅值范围在 10μV～100μV 之间 , 频率范围在 015 Hz～100 Hz 之 间。在数字化脑电图仪中 , 把脑电信号放大到适宜 采集的幅度通常要放大 10000 倍左右。然而人体处 在一个复杂的电磁环境中 , 工频 50 Hz 及其谐波辐 射到人体产生的电压能达到 1 V , 虽然通过提高前 置放大电路的共模抑比能抑制共模信号 , 然而还会 有相当高的 50 Hz 干扰以差模形式进入到电路中 , 其幅值最高能达到几毫伏 , 远大于有用的脑电信号 幅值。因此在放大电路中对 50 Hz 干扰进行抑制就 成为一个重要的课题 , 否则输入信号放大 10000 倍 后 , 由于 50 Hz 干扰的存在 , 信号就会在放大器中 饱和 , 造成信号失真。 1 　50 Hz 限波电路 如图 1 所示的 50 Hz 限波电路由两部分组成 , 第一部是由 U1A 及 R1、R2、R3、C1、C2 组成的 多重反馈有源带通滤波器 ; 第二部分是由 U1B 及 R4、R5、R6 组成的加法电路。 图 1 　50 Hz 限波电路 将多重反馈有源带通滤波器的中心频率点调整 为 50 Hz , 信号经过多重反馈有源带通滤波器时 , 只有 50 Hz 信号能通过 , 并且相位反向 , 反向后的 50 Hz 信号在加法电路中与原始信号相加 , 原始信 号中的 50 Hz 信号被抵消 , 其他频率成分通过 , 从 而达到消除 50 Hz 工频干扰的目的。该电路巧妙的 利用了多重反馈有源带通滤波器良好的频率选择特 性和信号通过后相位反向的特性 , 实现了 50 Hz 信 号的限波。 带通滤波器参数如下 : 中心频率ω0 : ω0 = 1R3R1C1C2 + 1 R3R2C1C2 (1) 品质因数 Q : 1/ Q = 1R3 (1/ R1 + 1/ R2) ( C1 C2 + C2 C1 ) (2) 通带增益 H0 为 : H0 = 1 R1/ R3 (1 + C1/ C2) (3) 2 　工程设计中电路参数的选择 在工程设计中 , 常取 C1 = C2 = C , R1 ≥R2 , 因 此以上三式可简化为 : ω0≈ 1C 1 R3R2 (4) 1/ Q≈2 R2R3 (5) H0≈ R3 2R1 (6) 为了方便电路调试和器件选型 , 取 R3 = 2R1 , 这样带通滤波器通带增益 H0 = 1 , 取 R4 = R5 , 让经 过带通滤波器后的信号与原始信号等权相加 , 这样 50 Hz 信号在加法电路中正好抵消 , 可通过调节 R6 来调整整个限波电路的通带增益。由于电阻电容标 称值误差的存在及电阻和电容只能在规定的序列里 面选择 , 需要通过调整 R2 的值来调整限波电路的 21 Medical Equipment Vol122 ,No111 中心频率 , 因此在工程设计时 , R2 常设计成可调 电阻。由式 (5) 可知 , 通过调节 R2 和 R3 的阻值 , 即可改变电路的品质因数 , 即 50 Hz 限波电路的阻 带宽度。 图 4 为工程中实际使用的 50 Hz 限波电路及参 数。 3 　实际电路幅频特性的仿真 笔者用 NI Multisim10 软件对图 2 中的电路进行 仿真 , 幅频特性如图 2。 图 2 　仿真的幅频特性 由图 2 可以看出 , 50 Hz 处信号被衰减了 - 60 dB , 阻带带宽为 4615 Hz～5315 Hz , 阻带很 窄 , 具有很好的频率选择性。 4 　限波电路幅频特性的测量 实际测量幅频行性曲线见图 3。 图 3 为实际测量的 50 Hz 限波电路幅频特性曲 线 , 1 V 的 50 Hz 信号 , 通过限波电路后能被衰减 到01025mV , 衰减到原来的1/ 40 , 衰减 - 32dB , 图 3 　实际测量的幅频特性曲线与仿真的结果很接近。这样的限波深度和频率选择性能已经能够满足脑电信号采集电路的需要。5 　结束语该限波电路实际限波深度可达到 1/ 40 , 完全能达到脑电信号放大电路的 , 其中心频率点可通过一个电阻来调节 , 工程应用中非常方便 , 阻带宽度可通过调节电路参数来改变 , 能满足不同信号选择性的要求。该电路应用到多通道脑电采集分析系统中 , 取得了良好的效果。[参考文献 ][1 ] 魏 　彬 , 贾存良 1 脑电信号预处理电路的设计 [J ] 1中国组织工程研究与临床康复 , 2007 , 11 (22) : 4362- 43641[2 ] 任洪林 , 陈 　名 1 消除电网工频信号干扰的限波电路设计 [J ] 1 佳木斯大学学报 , 2007 , 25 (1) : 5 - 6、131[3 ] 孙肖子 1 实用电子电路手册 (模拟电路分册) [M] 1北京 : 高等教育出版社 , 1993 , 101 图 4 　工程中实际使用的 50 Hz 限波电路及参数 The design of an improved notch filter on surface EEG measurement SHI Zhi - huai , WAN Sui - ren (School of Biological Science &Medical Engineering , Southeast University , Nanjing 210096 , Jiangsu Province , China) Abstract : A practical notch filter to eliminate the power line interference is designed in this paper1Its center frequency and Q value can be adjusted conveniently1Its frequency selectivity is very good1Its amplitude - frequency characteristics were simulated1The amplitude - fre2 quency characteristics of the actual circuit were measured1The elimination depth of power line noise is up to - 32dB1 Key words : power line interference ; notch filer ; amplitude - frequency characteristics 31医疗装备 2009 第 11 期