交流脑电放大器

生物医学电子学 交流脑电放大器 学院：精密仪器与光电子学院 专业： 生物医学工程 班级： 07级一班 学号： 3007202305 姓名： 胡 凯 设计报告 1．引言 1. 1脑电信号的特点 脑电波是否正常，主要是根据其年龄，对脑波的频率、波幅、两侧的对称性 以及慢波的数量、部位、出现方式及有无病理波等进行分析。许多脑部病变可引 起脑波的异常。如颅内占位性病变（尤其是皮层部位者）可有限局性慢波；散发 性脑炎，绝大部分脑电图呈现弥漫性高波幅慢波；此外如脑血管病、炎症、外伤、 代谢性脑病等都有各种不同程度的异常。 脑电图主要用于临床神经诊断和认知生理心理学研究，随着信号采集和处理技术 的进步，脑电信号已经被用于康复领域，可见，脑电信号在生物医学上有重要的 意义。 脑电波根据频率与振幅不同可分为： （1）α 波：频率为 8～13 H z，振幅为 20～100μ V，可在头颅枕部检测到，它 是节律性脑电波中最明显的波；整个皮层均可产生α 波。α 波在清醒、安静、闭 眼时即可出现，波幅由小到大，再由大到小规律性变化，呈棱状图形。 （2）β 波：频率为 14～30 H z，振幅为 5～20μ V，在额部和颞部最为明显，是 一种快波。它的出现一般意味着大脑比较兴奋。 （3）θ 波：频率为 4～7 H z，振幅为 10～50μ V，是在人困倦时，中枢神经系 统处于抑制状态时所记录的波形。 （4）δ 波：频率为 0.5～3 H z，振幅为 20～200μ V，在睡眠、深度麻醉、缺氧 或大脑有器质性病变时出现。 图 1：各种脑电波形 图 2：如何观察波形 由此可知，取自大脑皮层的脑电幅值范围为 10～200μ V，主要频率集中在 0.5～30 H z。由此可知，取自大脑皮层的脑电幅值范围为 10～200μ V，主要频 率集中在 0.5～30 Hz。 此外，脑电信号的多变与复杂： 1) 年龄和个体差异 2) 意识状态 3) 外界刺激与精神活动 4) 体内生理条件的改变 5) 药物影响 1. 2测量信号时应注意的噪声与干扰 1) 电极极化引起的极化电压：直流成分，用直流放大器时，信号直流成分被干 扰，在高放大倍数时，使放大器饱和。普通电极的极化电压在 200mV 左右， 选用银-氯化银电极能够减小极化电压。另外在电极与头皮之间抹导电膏可 以是两者之间耦合良好，减少噪声。 2) 工频干扰 ：50Hz 市电干扰信号，供仪器设备、照明等使用的电源，其 50Hz 及其谐波通过仪器等途径干扰检测电信号。可通过增加一个 50Hz 的陷波器 对其滤除。 3) 电磁场辐射：主要来自外界无线电波及高频设备。将电路装入金属盒，或罩 金属网，外部信号传输使用屏蔽线。 4) 生物电信号的相互干扰：心电、皮肤电干扰脑电，脑电易淹没在强势信号中。 测量时靠近脑部，保持安静状态。 5) 器件噪声。尽量选取大公司生产的优良器件，低噪声，高共模抑制比。如 TI， ADI，MAXIM，LT 等。 1．3脑电电极导联 世界上绝大多数脑电图实验室采用的是国际 10-20 系统(the 10-20 international System)电极放置法，其特点是： 1) 电极有各自的名称：位于左侧的是奇数，右侧的是偶数。 2) 按近中线的用较小的数字，较外侧的用较大的数字。 3) 电极名称包括电极所在头部分区的第一个字母。 4) 诸点电极的间隔均以 10%和 20％来测量。 常用的电极连接形式有三种： 1) 双极导联，即一对电极之间； 2) 单极导联，一个电极和远处参考电极之间的连接； 3) 平均导联，一个作用电极和全部作用电极通过相等的高电阻接到一公共参考 点之间的连接方法。 2． 设计思路 系统框图： 针对脑电信号的微弱性以及外界的强干扰，对放大器的要求有：  输入阻抗大于 10MΩ；  共模抑制比大于 80dB（即共模抑制比大于 10000:1）；  频带宽度 0～35Hz；  系统噪声小于 3μ V；  前置放大级的电源纹波电压小于 0.5mV。 思路 1：第一级放大最重要，因为它直接面对微弱的脑电信号，所以尽量去除共 模信号，采用两个放大器并联采集，并在后面加上右腿驱动。 思路 2：采用多级的放大、滤波电路来去除噪声，前置放大增益应该尽量大，但 不能太大。 思路 3：电路环节能省则省，减少引入器件本身的噪声，特别是前级。 显 示 信 号 后 级 放 大 工 频 陷 波 隔 离 放 大 低 通 滤 波 前 级 放 大 信 号 采 集 220 伏 变压器 稳 压 电 路 直 流 隔 离 供电 供电 3． 分立模块的设计方案 3. 1前级放大的设计方案 运用 Multisim 软件进行模拟，对一些关键参数进行预选。 注：图中 TLC07X 可用 LM324 代替，调节 R3 和 R6 可以控制放大倍数。  第一级 U1 和 U2 组成并联差动放大电路 目的：第一级需要有较高的输入阻抗。 原理：在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷 大，共模抑制比也为无穷大。另外，在理论上并联型差动放大器的共模抑制 比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 要求：低噪声。 分析：之前，有同学设计时比较倾向于使用 TLC07 系列，基于它的低噪声。 但是本人认为不然。由于它是单电源（0~5V）供电，所以输入信号时不会放 大负半边的信号。需要设置一个参考地来解决，增加了电路复杂度。 方案一：本人建议使用 OPA177，双电源供电，而且有低偏置电流的特点。 方案二：直接使用 324。OPA177 虽然精确，由于是单运放，加上后面的右腿 驱动，占用空间。而且成本确实很高。324 的噪声可以通过后续的处理解决。 324 的优点也很多：  高增益，内部有频率补偿，输入偏置电流温度补偿，单位增益带宽温度补偿；  它既可以单电源使用，电压范围是 3.0V-32V；也可以双电源使用，电源电压 可以从±3V 一直用到±15V；  每一组运放差模增益可达到 100dB；  驱动功耗低，静态功耗小；  短跑保护输出；  低偏置电流:最大 100nA；  具有内部补偿的功能；  共模范围扩展到负电源 ；  输入端具有静电保护功能； 对比 OP07:  低输入失调电流 10uA；  低电压温度漂移 0.2uV/℃；  宽供电范围：±3~±18V；  高共模输入：±14V。 该级放大倍数 G1=1+（R1+R2）/R3，选择放大 5 倍，R1=R2=20KΩ，R3=10KΩ .  高通阻容耦合电路 目的：去除电极极化电压造成的直流噪声。 原理：通过电容 C1、C2 和电阻 R4、R5 的配合组成高通网络，滤除直流。 优点：避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模 干扰转换成差模干扰的情况发生。 C1=C2=1μ V，R4=R5=470，截止频率 f=1/(2π RC)=0.33Hz,直流不通过。  右腿驱动电路 目的：消除基线漂移、去除共模干扰。 原理：将阻容耦合电路中的共模电压取出来反相加到人体中，消除共模干扰 和基线飘逸。 要求：安全。 措施：在输出端加一个限流电阻，减小进入人体的电流大小。 采用右腿驱动电路可以减小人体与地之间的共模电位。共模电压为 Vcm=Rcm ×Id；共模等效电阻为 Rcm=R0/（1+2RF/R9），在选择参数时要尽量减小共模 等效电阻。  仪用放大器 目的：将双端信号转换成单端信号输出，便于后续处理。 原理：利用差分放大器将双端信号转换成单端信号。 优点：高输入阻抗、高共模抑制比、精度高、稳定性好。 芯片：LT1167、1168，INA128/129，AD620，MAX4194 等等。 无论选用哪种芯片，需要注意的是，常用仪用放大器价格一般都较高，所以 不存在成本上的考虑。所不同的是它们的参数各有长处，应根据自己的需要 来选择。 参数一览表 LT1167 INA128 AD620 MAX4194 电源范围 ±2.3~±18V ±2.25~±18V ±2.3~±18V +2.7～+7.5V 输入失调电压 最大 60uV 最大 50uV 最大 50uV 最大 50uV 输入失调电流 最大 550pA 最大 10nA 最大 0.5nA 最大 3nA 输入偏置电流 最大 350pA 最大 5nA 最大 1nA 最大 20nA 共模抑制比 最小 90dB 最小 120dB 最小 100dB 最小 115dB 漂移 0.3uV/℃ 0.5uV/℃ 0.6uV/℃ 0.5uV/℃ 输入噪声电压 7.5 nV/√Hz 8nV/√Hz 9nV/√Hz 85nV/√Hz 本人选择了 INA128。 增益公式：G2=1+50KΩ /Rg 该级放大倍数越大，共模抑制比效果越好。选择放大 200 倍,Rg=250Ω。\ 所以，前级放大总增益 G=G1*G2=5*200=1000. 3． 2低通滤波设计方案 因为脑电信号的频率主要集中在 0.5～30Hz，故低通滤波器的截至频率选择 在 30~35Hz。因为巴特沃斯滤波器的通带较平稳，使信号失真度小，所以选用高 阶巴特沃斯滤波器。 方案一：动手搭一个用 LM324 构成的五阶巴特沃斯滤波电路》 此中的电容、电阻不是标称值时，可以用串联、并联、取近似的方法。 模拟效果： 效果很不错。 方案二：LT1064-2，八阶巴特沃斯滤波器，程控输出时钟信号（30HZ） 效果用 FilterCAD 模拟： 但是该方案还需要一个额外的单片机来输出一个时钟信号，成本高，空间大。 选择方案一。 3． 3隔离放大电路 该部分的作用是防止发生电击事故，保护人身安全，并有较好的抗共模干扰 能力。前后之间存在隔离，包括任何“电”的连接，所以供电也需要和前面“断 开”。 选用 TI 公司生产的 ISO124 隔离放大器： 并配套使用 DCP010505DBP 供电： 如图左，为两者连接方式，但是要特别 注意，DCP 不能直接空载，所以在输出后最好 能加一个保护电阻。 3． 450Hz陷波电路 陷波电路的作用是滤除 50Hz 工频带来的干扰，该干扰十分大，影响显著。 如图，可用双 T 网络来构建。注意器件对称性越好，效果越明显。 先选 C 为标称值。再根据 R=1/（2π fC）得电阻值。 R/2 和 2C 可以用两个电阻并联和两个电容并联得到。为防止发生自激震荡， Q 值不能太大，一般取 20 为佳： Q=1/4(1-β )，0<β <1, β 为 R5 靠近地部分的阻值，实验时可调节。 模拟效果（Q=20）： 3． 5后级放大 此部分为保证最终的输出易于测量。可运用反向放大。 采用了 LM324 芯片，加入电位器以便调节信号在便 于观察的范围内。高通滤波电容 C=0.47uf，滤出 漂移电流，低通滤波电容 C= 0.015uf。 输出脑电时，可调节放大比为 20，使总增益 达到 20000，信号显示幅度为 0.02~2v。注意前级 放大中的高通部分的截止频率应大于 2Hz，滤除心 电的干扰。 观察心电信号时，只要放大 1~2 倍即可。 3． 6稳压电源 采用的主体器件为市面上最常见的 7805 和 7905，成本低。 目的：将 220V 交流电转换为±5V 输出的直流电。 芯片：7805，7905，整流桥。 说明：对于稳压电路，按工作方式分有线性稳压和开关稳压。线性稳压又有 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C8 C7 VO- VO+ 7805 7905 IN4001 IN4001 传统的线性稳压和 LDO 线性稳压，前者的典型代表是 7805。传统线性稳需要 2 个 NPN和一个 PNP来完成稳压任务，所以输入与输出之间有 1.5v到 2.5v的压降， 在大电流通过时会产生大量的热量，功耗比较大。后者只利用一个 PNP 来稳定电 压，输入输出之间的压降只有 0.5 伏，所以功耗比较小。开关稳压器的输出级工 作在开关状态，其反馈控制是由 PWM 来实现的。 两者比较： 线性稳压 优点 简单，输出纹波电压低，出色的 line 和负载稳压，对负载 和 line 的变化响应迅速电磁干扰 (EMI) 低。 缺点 效率低 ，如果需要冷却设备，则要求较大的空间 开关稳压 优点 效率高，能够处理较高的电源密度，拓扑学结果可用于传递 单个或多个输出电压，大于或小于生成的输出电压。 缺点 输出纹波电压高，瞬时恢复时间较慢，产生电磁干扰（EMI) 因为整个电路的电流不是很大，功耗较低，所以利用 7805 和 7905 稳 压不会产生太多的热量。由于开关稳压对信号的干扰比较大，所以不 宜选用。 注意 C1,2,5,6 为电解电容，耐压值要足够。其他电容用于滤除高频或者低 频的纹波，IN4001 用于防止负向电压产生，使其能钳制在 0.7V。 电路制作 实际电路制作情况： 测试报告 1、 前级放大部分的测试 待测参数：差模增益 Ad，共模增益 Ac，共模抑制比 CMRR，输入阻抗 Ri， 输出阻抗 Ro，带宽 Bw，静态工作点，输入噪声。 Ad 测量方法：将后级电路与前置放大器断开，信号发生器的正相输出与放 大器一输入端相连，反相输出与另一输入端相连并接地，示波器显示输出端信号。 Ac 测量方法：将后级电路与前置放大器断开，将信号发生器的正相输出与 放大器两输入端相连，反相输出接地，示波器显示输出端信号。 本人测的是整个前级放大（LM234+INA128）的： 差模增益(Ad) 共模增益(Ac) 共模抑制比 Vi 5mV 5V CMRR=20log（Ad/Ac）= 93.6 Vo 5.39V 112.86mV A(Vo/Vi) 1078 0.0226 Ri 测量方法：先将开关闭合， 在输入端输入一个 V 级的直流电压，测输出 电压的大小 Vo1，然后打开开关，测输出电压 Vo2，利用方程组： A=Vo1/Vi Vi/(R+Ri)=Vo2/(A*Ri) 解得 Ri。 已知量 待测量 R 10MΩ Ri 16.1MΩ Vi 1.5V Vo1 3.35V Vo2 2.18V 误差分析： 首先，，电阻本身的精度导致 R 的值并不准确。 其次，由于 R 的阻值不能过小，测得的电压变化较小，造成误差增大。应 该选用更大的接近放大器输入阻抗的电阻，测量会更准确。 Ro 测量方法：先将开关闭合，在输入端输入一个 V 级的直流电压，测输出 电压的大小 Vo1，然后打开开关，测输出电压 Vo2，利用方程： Vi Vo R Vo2/R=(Vo1—Vo2)/Ro 解得 Ro。 Bw 测量方法：断开前级电路，接通电源。输入端给一直流小信号 Vi，测输 出端电压 Vo，增大频率，当 Vo 下降到低频时的 0.707 倍，此时的频带宽度即为 放大器的带宽。 频率 幅值 带宽 0Hz 1V 6.355KHz 6.355KHz 0.707V 静态工作点测量方法：放大器两输入端对地短路，观察输出波形并记录直流 幅值。该输出即为放大器的静态工作电压。 测量结果：324输出为Vo1=8.00mV，128输出Vo2=105.92mV，均小于 500mV， 符合要求。 输入噪声测量方法：两输入端对地短路，测出输出交流电压幅值 Vo，输入 噪声 Vi=Vo/K。K 为放大倍数。 Vo 噪声电压 Vi 105.92mV 0.016mV 2、 低通滤波电路测试 测量参数：截止频率。 测试方法：将滤波电路与前后级电路断开，在输入端加一个小信号，改变频 率，测量输出电压的变化，当电压降到直流输出时 3dB 时的频率就是截止频率。 测量结果：截至频率在 20.50Hz 输入电压幅值：500mV 效果为： 已知量 待测量 R 470Ω Ro 79.5Ω Vi 1.5V Vo1 3.43V Vo2 3.38V 频率 Hz 1 5 8 11 13 15 17 18 19 输出 mV 530.6 495.0 475.2 451.4 423.7 400.0 384.1 372.2 364.6 20 21 22 25 30 35 40 50 60 360.4 352.4 344.5 320.8 301.0 269.3 225.7 130.7 79.2 70 80 90 100 110 120 47.5 43.6 39.6 35.6 35.6 31.7 Vi R Vo 3、 隔离放大电路测试 测量放大倍数： 测试方法：前端输入一个小信号，改变幅值，测后端的输出电压。 测量结果：放大倍数为 0.88 倍，信号有微小的损失。 Vi 1.105V Vo 0.970V 4、 陷波电路测试 测量参数：陷波频率。 测试方法：将陷波电路与前后级电路断开，在输入端加一个信号，改变频率， 测量输出电压的变化。 测量结果：陷波点为 50.20Hz 输入电压幅值：500mV 频率 Hz 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 输出 V 134.6 360.4 491.0 471.1 439.4 380.2 320.8 249.5 174.2 91.0 47 48 49 50 51 52 53 55 60 65 63.4 47.5 31.7 27.7 31.7 39.6 55.4 83.2 138.6 190.0 75 95 120 140 180 273.2 364.2 435.6 463.3 495.0 效果： 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 600 5、 后级放大电路测试 测量参数：放大倍数。 测量方法：将后级放大电路与前级电路断开，在输入端加一个小信号，用示 波器在输出端测量电压值。 测量结果： 输入电压 输出电压 放大倍数 500mV 823.68mV 1.65 效果展示： 总结 在期中刚拿到题目时，心里有一点小小的失落。从题目的名字来看，脑电似 乎是最弱小的，不如肌电、心电、脉搏波来的“强大”，感觉上是最难的。因为 自己平时的动手比较少，只参加过电设大赛，自己也没有多大的把握。 但是，好在自己并没有放弃，在题目公布的第二周开始准备，开始了现在感 觉收获挺多的的过程。总结一下，有以下感想： 1． 学好本知识是动手实践的前提。很多人都说要先动动手，不然学了就没 用。确实动手不多是我们学生的大毛病。但是，我们的基础知识也还没学扎 实，在前期设计的时候，很多元器件的一些特殊用法还不知道。所以通过这 次动手实践，让自己看到了不足，以后要好好督促自己。 2． 初步学会了如何申请芯片。TI，MAXIM，LT 等芯片优良，但是在市面上自 己买很贵。以前也申请过，但是都被拒绝了。申请芯片，首先要填完整的资 料。第二，根据自己的要求，选择合适的。比如，直流的需要低功耗的，轨 至轨芯片。交流可以不用考虑这些，但是要注意尽量选择高共模抑制比的芯 片。第三，申请之前一定要阅读数据手册。一个字母的差异就会带来很大区 别。比如申请 DC-DC 时，很多人选择了 0505BP，但那是单电源输出。只有 DBP 才是双电源输出的。 3． 自己购买了元器件，对该市场有了小了解。一般元器件虽然小，但是和普通 的东西来比，由于科技集成高，成本不小。比如最不起眼的导线，在常用物 品中算是贵的。一排杜邦线甚至达到了 9.5 元。所以，我们平时在实验室做 实验的时候，更要学会珍惜器件。 4． 坚持，一定要坚持到最后。在遇到困难的时候，不能够泄气，不能因为出不 来图形而自暴自弃。一级一级的调试，先用正弦信号试，没有问题了再接入 人体信号。总之，解决一个问题就是向胜利迈进一步。 5． 主动向老师和同学请教和互相帮助。自己身边总会有同学动手能力比较强。 如果认为不保险，可以求助老师和学长，他们的经验往往能在不实验的情况 下，事先预测到问题。有时候，老师和同学的帮助甚至是鼓励，都能帮我看 到希望。同学之间相互讨论或别人时，不要吝惜自己的观点或者举手之劳。 有时候，帮助也会让自己了解别人的错误，增加成功的概率。 6． 实际的取舍。举例：陷波器。如果品质因素高，陷波点准而且陡峭，虽然感 觉不错，但是一旦工频干扰发生了偏离（50 变为 51），就失去了作用。相反 品质因素低的，衰减带比较长，会对有用信号有较大衰减，但是对陷波点不 那么敏感。需要和具体信号的频段做对比取舍。（如脑电可以低点） 实验过程中自己常犯的错误：信号源输入点接错、焊接时相邻排短接、 忘加电源、导线接错或漏接、电阻值看错、错位焊接。 应该加强的能力： 1． 查阅文献的能力。 2． 基本电路牢记于心。 3． 排查错误的能力。 4． 美化电路排版的能力。 5． 合作精神。