腦電信號EEG(Electroencephalogram)是大腦神經產生的一種電位活動，含有豐富的大腦活動信息，是診斷腦部疾患的主要生理指標依據，也是目前腦機接口研究的主要信號源，在人的警覺度檢測和認知能力識別研究中也有應用。傳統腦電信號采集設備都比較龐大，不便于腦電信號的實時獲取[1]。因此研究便攜式的腦電信號采集設備無論對理論研究還是病人的實時監護都有重要意義[2]。

    由于人體的阻抗高而且變化很大，腦電信號又很微弱，外部環境的干擾很大，因此一般對腦電信號采集系統的放大和預處理電路部分的要求很高，電路一般比較復雜，因而體積大功耗高。如在參考文獻[3]中給出的腦電信號調理電路包括了用分離元件設計的前置放大器、陷波濾波電路、主放大電路和信號隔離電路；參考文獻[4]和[5]采用儀用放大器作為信號輸入前端，采用壓控電壓源50 Hz陷波電路和二階有源濾波電路來濾除噪聲，并應用右腿驅動浮地技術來抑制共模干擾；參考文獻[6]采用兩個儀用放大器來對腦電信號進行二級差分放大作為前端放大電路；參考文獻[7]也采用與參考文獻[4]和[5]相似的結構并用八階開關電容濾波器芯片MAX291來做抗混低通濾波;參考文獻[8]采用了常規的儀用放大器信號輸入前端、陷波電路、二階有源濾波電路，并采用具有12位模數轉換模塊的MSP430F169作為MCU實現數據采集與傳輸；參考文獻[9]針對疲勞駕駛檢測設計僅包含儀用放大器前端、高通濾波、二級信號放大電路，并采用八階Bessel開關電容濾波器芯片MAX7405作為低通抗混濾波器，結合MSP430F169和CC2500實現了腦電信號的采集與無線傳輸。以上腦電信號采集系統中模數轉換模塊的精度都比較低，因此要求信號調理電路的放大倍數較高才能保證足夠的信號分辨率，而采用分離元件實現腦電信號的調理電路則使得電路體積大功耗大，不宜實現腦電信號的便攜式采集。TI公司新推出的芯片ADS1298專門為生理信號采集而設計，為改變這種現狀提供了技術保障，如參考文獻[10]采用ADS1298和STM32F103微處理器實現了心電信號采集，大大簡化了信號前端的設計。

    本文以TI公司的ADS1298芯片為基礎，結合腦電信號采集的特點，設計了一種可用于超低功耗和微型化的腦電信號采集系統的采集前端，與ARM、FPGA、DSP等微處理器以及USB或Wi-Fi等芯片集成可設計出便攜式可穿戴的腦電信號采集設備。

1 EEG信號的特點及采集要求
    由于EEG的輸入信噪比很低而且幅值屬于微伏數量級，所以EEG檢測應視為微弱信號檢測的一種。EEG檢測的主要特點有：
    (1) EEG過于微弱,幅值只有5 μV～200 μV，如果信號放大倍數不夠,就需要系統有較高的電壓分辨率。如果系統電壓分辨率不夠,則一般要對信號放大20 000倍左右。
    (2) 人體大腦的信號源阻抗高，腦電信號頭皮與顱骨通常有幾千歐姆的電阻，所以要求前置部分有很高的輸入阻抗，以提高腦電信號索取能力，一般輸入阻抗要大于10 MΩ。
    (3) EEG信號頻率較低，一般在30 Hz以下。EEG信號采集時，高頻干擾影響很大，同時，50 Hz市電電網信號會以共模干擾和差模干擾兩種方式混入電路，幅值在毫伏數量級,所以要求放大器具有很高的共模抑制比CMRR(Common-Mode Rejection Ratio),一般要大于100 dB。在沒有屏蔽措施的環境下，CMRR對能否提取到EEG有著重要的影響。
    (4) 電極和皮膚接觸阻抗不對稱等因素會在電極與頭皮接觸的部位產生電位差，稱為極化電壓。它一般影響信號的偏置，如果在前端不做處理，會對信號的提取造成很大困難。
    TI公司近年推出的ADS1298模數轉換芯片是專門針對ECG和EEG等生理信號采集而設計的，其集成了8個獨立的模數轉換模塊，單個通道的最高采樣速率可達32 kS/s，在采樣率不超過8 kS/s時具有24位的轉換精度，同時還集成了8個程控差分輸入放大器、右腿驅動、Wilson電阻網絡等，通過結合高精度的模數轉換和將基線漂移、工頻干擾等噪聲處理放到模數轉換后的數字處理部分，可以大大簡化數據采集前端的設計，實現便攜式低功耗的腦電信號采集系統。

2 ADS1298轉換器簡介[11]
2.1 功能特點
    ADS1298是TI公司推出的一款24位8路差分輸入的高精度、高輸入阻抗、高共模抑制比、高轉換速率、低功耗的∑-△型模數轉換器。其主要特性有：
    (1) 8通道24位ADC轉換芯片內部有8個低噪聲可編程增益放大器(PGA)；8個高分辨率同步采樣ADC；其采樣頻率可工作在250 S/s~32 kS/s。
    (2) 各通道含低噪聲可編程增益放大器(PGA)，其放大倍數在1～12倍可調;工頻共模抑制比CMRR最小為105 dB，典型值為115 dB；直流輸入阻抗為1 000 MΩ；兼容的SPI通信方式，可對內部寄存器進行配置和輸出數據。
    (3) 內置右腿驅動集成型放大器；針對威爾遜中心終端WCT(Wilson Center Terminal)與戈德伯格終端GCT(Goldberger Terminals)的集成型放大器。
    (4) 數字計步(digital pace detection)功能；持續啟動檢測(lead-off detection)功能。
    (5) 板載振蕩器與內部參考電壓可實現更小尺寸的低功耗應用；靈活的掉電、待機模式。
    (6) ADS1298每通道功耗0.75 mW，與獨立式實施方案相比，功耗降低達95%，從而可提高設備的便攜性與患者監護移動性。
    (7) 其4-uVpp典型值輸入參考噪聲遠遠超過了IEC60601-2-27/51標準的限度，從而可提高便攜式設備以及高密度高端ECG與EEG設備的測量精度。
　　ADS1298的以上這些特點，集成了ECG與EEG前端所需的常見特性，可簡化設計并節省板級空間，使得組件的使用量銳降95%。
2.2 內部結構
　　ADS1298內部結構如圖1所示。其內部集成了8路并行的PGA與ADC、監測電路和數字濾波電路，采用SPI串行通信方式設置內部控制用寄存器并輸出數字信號。根據心電模式或腦電模式的具體應用，通過單片機配置多路選擇器(MUX)內部各個輸入端(INXX,RLD)的通斷，可編程放大器(A1～A8)的放大倍數和A/D轉換器(ADC1～ADC2)的采樣頻率。當芯片完成一次轉換，DRDY引腳變為低電平，通知MCU通過SPI總線讀取數據。

    該芯片內部電路可分為數字和模擬兩大部分，數字部分供電范圍為：1.6～3.6 V，模擬部分既可采用單極性供電（2.7～5.25 V)，也可采用雙極性供電(±2.5 V)。當模擬部分采用單極性供電時，其輸入模擬信號的電壓范圍為0～5.25 V；當模擬部分采用雙極性供電時，其允許輸入信號的范圍為-2.5～2.5 V。使用時，既可以使用片內參考電壓，也可以用片外參考電壓。A/D時鐘電路的配置也一樣，既可使用片內時鐘電路，也可使用片外時鐘電路,若選用片內時鐘電路，AD還可向外提供時鐘信號。
3 前端硬件電路設計
    對于一個腦電信號采集系統而言，硬件電路的設計主要在于信號的調理部分以及如何把微弱的模擬腦電信號變成適合分析的數字化腦電信號，其設計將決定整個系統性能的好壞，是系統硬件電路設計的關鍵所在。由于ADS1298芯片為差分輸入方式，其輸入工頻共模抑制比典型值達到了115 dB，且直流輸入阻抗達到了1 000 MΩ，再考慮其24位的采樣精度，因此在輸入端只作簡單的一階低通和高通濾波以及限幅設計，同時再配合右腿驅動電路設計（如圖2所示），這樣輸入端電路就可以大大簡化，而模數轉換后的信號分辨率也保證了經過后期數字信號處理得到高質量的腦電信號。

3.1 濾波限幅電路
　    腦電信號屬于微弱的低頻生物信號，其有用頻率在0.5～100 Hz的頻帶內，另外從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護器件考慮，需要對輸入信號進行限幅與濾波，其電路結構如圖3所示。

    其電路的限幅原理是取二極管的單向導通特性，而電路的低通濾波采用傳統的無源一階低通，高通濾波采用了傳統的阻容濾波，電路的頻率響應函數如式(2)所示，通帶截止頻率可由電路的頻率響應函數計算得到：
    

3.3 ADS1298多芯片級聯
    在常見的腦電信號采集系統中，一般都是16、32、64或更多通道，由于ADS1298是一種8通道的生物信號處理芯片，在高于8通道的采集系統中就需要級聯幾塊芯片來解決多通道的問題，圖5給出了兩片芯片的16通道級聯模式的結構。

    由圖可以看出，芯片共用啟動信號START和時鐘信號CLK，在SPI接口連接中復用SCLK、DIN、DOUT信號線。ADS1298每個設備都有自己獨立的片選信號CS線，通過拉高相應的CS信號線，其相應的設備DOUT輸出為高阻態。這種結構允許其他設備控制這個DOUT總線，這種配置方法適合于大部分場合的應用要求。
    本文所介紹的新型腦電信號采集前端充分利用了近年來發展迅猛的半導體技術，以超低功耗、高精度、高集成度的ADS1298轉換器為模數轉換芯片,采集的精度、速度及可靠性能夠滿足要求。利用了其24位的高精度,結合芯片內部的PGA可編程增益放大器及右腿驅動電路，大大降低了前置信號調理電路的規模，其能夠很好地對人體腦電信號進行精確采集，為新時代便攜式的腦部醫療保健和實時移動監測提供了有力的技術支持，實現了高性能的、便攜式、可佩帶的腦電信號采集系統。
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