張學(xué)軍，溫 煒
（ 南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）
摘要：提取腦電信號(hào)是進(jìn)行腦電信號(hào)分析的第一步，其中關(guān)鍵的技術(shù)之一就是信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。腦電信號(hào)是極其微弱的生物信號(hào)，對(duì)噪聲極為敏感、對(duì)放大器性能要求較高。設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路中的放大以及濾波電路，具有元器件簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的放大及濾波性能。
關(guān)鍵詞：腦電信號(hào)；放大電路；濾波器
0引言
生物科學(xué)尤其是腦科學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期，現(xiàn)階段用于腦電信號(hào)分析的儀器設(shè)備通常是腦磁圖儀或者腦電圖機(jī)。而腦磁圖儀因其體積龐大、價(jià)格昂貴，只能被專業(yè)機(jī)構(gòu)使用。腦電圖機(jī)的普及相對(duì)容易，更易被用戶接受。
腦電圖機(jī)的性能、價(jià)格、體積、是否易于普及等特性，在很大程度上取決于腦電信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，這也是腦電圖機(jī)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。
腦電信號(hào)（EEG）是極其微弱的生物信號(hào)，頻率集中在0.5~100 Hz，幅值只有5~100 μV［1］。因此EEG信號(hào)極易被淹沒在噪聲之中。噪聲包括外部噪聲，如50 Hz工頻干擾、環(huán)境中高壓電源的噪聲、人體與電流耦合的噪聲等；以及內(nèi)部噪聲，如電極引出信號(hào)時(shí)的噪聲、元器件內(nèi)部的熱噪聲等。此外，小信號(hào)的放大也是難點(diǎn)之一。要將EEG信號(hào)放大至能被A/D轉(zhuǎn)化器所識(shí)別的大小，整個(gè)系統(tǒng)至少需要達(dá)到上萬(wàn)倍的增益。腦電信號(hào)調(diào)理電路的主要任務(wù)就是對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行濾噪及放大。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是保證系統(tǒng)具有“三高兩低”的特性，即高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲、低漂移［2］。該系統(tǒng)電路分為放大電路、濾波電路以及電平抬升電路。由于腦電信號(hào)的特殊性質(zhì)，為避免噪聲影響，EEG放大無法一次到位，需分2~3級(jí)逐級(jí)放大。濾波電路用來濾除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信號(hào)，同時(shí)濾除50 Hz的工頻干擾噪聲［3］。調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2調(diào)理電路設(shè)計(jì)
按照總體框圖中各個(gè)模塊分部分闡述具體電路的設(shè)計(jì)工作。
2.1EEG輸入
國(guó)際上把頭皮電極定位的標(biāo)準(zhǔn)方法稱為10-12系統(tǒng)法。本系統(tǒng)采用單通道，將兩片醫(yī)用電極分別貼在太陽(yáng)穴的兩側(cè)，第三片電極貼在耳垂處起到接地的作用。采集到的頭皮信號(hào)同步送入下一級(jí)差分放大電路。
2.2放大電路
2.2.1前置放大電路
該電路是除了電極之外首先接收并處理腦電信號(hào)的模塊。腦電信號(hào)只有μV級(jí)別，需要放大上萬(wàn)倍。但是初次放大不宜過大，此時(shí)噪聲沒有被濾除，它對(duì)EEG信號(hào)的影響極大，過度放大極易使噪聲淹沒有效信息。由此考慮，設(shè)置初級(jí)放大的增益為20，器件選取AD620。AD620能夠滿足放大需求，并且具有抗干擾能力、功耗低、價(jià)格便宜等特點(diǎn)［4］。其增益G的計(jì)算公式為：
G=49.4 kΩ/RG+1（1）
外接電阻RG取2~3 kΩ，此時(shí)G約為20，共模抑制比約為110 dB。
2.2.2后級(jí)放大電路
經(jīng)過初次放大，放大增益仍不能滿足設(shè)計(jì)需求，需要第二級(jí)放大。后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)增益大約為500倍,如式（2）所示，電路如圖2所示。
其增益G的值與R1和R2有關(guān)，將R2設(shè)置為滑動(dòng)變阻器即可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增益。不同受試者或同一受試者處于不同狀態(tài)時(shí)，其腦電信號(hào)振幅會(huì)有所差異，可適時(shí)調(diào)節(jié)。
2.3濾波電路
2.3.1高通濾波電路
此電路負(fù)責(zé)濾除0.5 Hz以下的信號(hào)，采用了壓控電壓源二階高通濾波器。其傳遞函數(shù)為：
其中,C1=C2=4.7 μF,R1=47 kΩ,Rf（R2）=30 kΩ,R3=R4=100 kΩ，得到截止頻率為：
電路圖以及波特圖如圖3所示。
2.3.2低通濾波電路
腦電信號(hào)的主要頻率集中在100 Hz以內(nèi)，因此可將大于100 Hz的信號(hào)直接濾除，該電路傳遞函數(shù)為：
電路圖以及波特圖如圖4所示。
2.3.3陷波電路
我國(guó)市電電壓的頻率為50 Hz，它同樣會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾，這一干擾稱為工頻干擾，抑制它的電路是陷波電路。通常情況下，采用的解決方案是“雙T”陷波電路［5］。傳遞函數(shù)為：
電路圖以及波特圖如圖5所示。
2.4電平抬升電路
A/D轉(zhuǎn)化器能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)電壓大多在0~3.3 V，呈單極性。保證EEG信號(hào)負(fù)電壓的部分不受損失，需要將其抬升至標(biāo)準(zhǔn)電壓內(nèi)。電平抬升電路如圖6所示。
調(diào)理電路設(shè)計(jì)并制作完成后，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下。
3.1低通濾波電路測(cè)試
設(shè)計(jì)的截止頻率為100 Hz，測(cè)試時(shí)，維持濾波器輸出端的電壓為10 V，改變輸入信號(hào)的頻率，結(jié)果如表1所示。
電壓在100 Hz截止頻率之后出現(xiàn)快速的衰減，在95 Hz的時(shí)候仍能保持較高的峰峰值。
3.2陷波電路測(cè)試
測(cè)試方式與上文相同，結(jié)果如表2所示。
3.3系統(tǒng)整體測(cè)試
本系統(tǒng)前置放大電路實(shí)際增益為19，后級(jí)放大為578，總體增益為10 982倍，達(dá)到設(shè)計(jì)需求。
4結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了腦電信號(hào)調(diào)理電路，完成了信號(hào)的頭皮采集、放大、濾波等預(yù)處理工作，并對(duì)該調(diào)理電路的性能做了分析。總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。該電路仍有可改進(jìn)的地方，如加入緩沖電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路等。
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