1、医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 1 便携式脑电放大器设计报告 天津大学 精仪学院 （ 300072） 王慧泉 3004202330 一、项目的任务与要求 设计题目 ：脑电放大器（电池供电） 任务与要求 ：把头皮表面脑电信号放大到伏的量级上，通过前级放大电路和后级放大电路，把信号放大 1000050000 倍左右。 二、设计目的 人的脑电信号（ EEG）是大脑皮层的神经元细胞所产生的电流总和在穿过头颅到达头皮后，所引起的头皮不同部位有不同的电位水平。 人自发的 EEG 在清醒状态下常常含有节律性的电位变化。成年人清醒安静状态下的正常 EEG 通常包
2、括多种不同频率的波。 头皮表面的 EEG 信号范围为 1 100 V。频率范围 0.5 100Hz，皮质电位约为 1mV。 在静息状态下脑电所包含的频率可分为下述 5 类： （ Delta 波 ）： 0.5 4Hz， 深度睡眠状态 （ Theta 波 ）： 4 8 Hz， 梦境状态 （ Alpha 波 ）： 8 13 Hz， 催眠 、冥想 状态 （ Beta 波 ）： 13 22 Hz， 清醒或激动状态 ： 2230 Hz 及更高频率。 重点放大波和波，通过观测脑电波基本节律实现对身体状态检测和进一步实现通过意识控制身边装置； 其中 波作为一种自发脑电，与视觉皮层的闲散节律相对应，多在清醒闭目
3、时出现；睁医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 2 眼、思考问题，或接受其它刺激时，波消失，转而出现快波；如果又安静闭目，则波又重新出现，这一现象称为波的阻断现象。通过观测波的阻断现象，可通过脑 -机接口进一步实现对装置的快速控制。 三、系统概述 、脑电检测的频带选择 节律 是一种规律的频率为 8 13 Hz，波幅 10 100uV 的正弦形节律。这是脑电图的基本节律，主要出现在大脑球后半部，特别是在枕部的描记中，安静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象，呈纺锤形或梭形。当睁眼或思考问题时，节律可抑制。 节律 是指频率为
4、14 30 Hz，波幅在 5 20uV 之间的一种低波幅电活动，在前头部最多见。当 活动占优势时，其波幅可达 50uV。 活动 属于快活动（频率高于 a 节律的活动称快活动）。当被检者思考问题，或有明显焦虑、抑郁，或使用镇静药物时， 活动明显增多， 活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现。 适量的 波，对积极的注意力提升，以及认知行为的发展有著关键性的助益。 故选择截止频率为 0.5Hz 的无源高通滤波器，用以滤极化电流， 30Hz 的有源二阶低通滤波器和带宽为 8 13 Hz 及 14 30 Hz 的有源窄带通滤波器。 、干扰的抑制 1) 电极噪声：由于电极极化产生的噪声，对此干扰采用银
5、氯化银电极，是一种不易极化的电极，极化电压仅数毫伏； 2) 无线电 波及高频设备的干扰：将系统装入金属盒，外部信号传输使用屏蔽线； 3) 被测生理变量以外的人体电现象所引起的噪声：利用差分结构和医用放大器提高系统得共模抑制能力（干扰一般表现为共模电压信号） 4) 50Hz 的工频干扰：幅度相对于脑电信号来说很大，可达到 EEG 信号幅度的 1 3 个数量级，尽管已有 30Hz 的低通滤波器，但对于工频部分衰减不够，可能会出现输出信号两个峰值的情况，故应考虑设计 高阶低通或 陷波器将其去除。 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 3 、系统模块设计 四、单
6、元电路设计与分析 一般脑电机的技术指标为： 输入阻抗大于 10M； 共模抑制比大于 80dB（即共模抑制比大于 10000:1） ； 频带宽度 0 150Hz； 系统噪声小于 3 V； 前置放大级的电源纹波电压小于 0.5mV。 1、前级放大电路 芯片选用 ： 选用 max4194 作为核心元件，最低工作电压为 2.7V，最小功耗 470mW， 具有轨 轨的特性，输出幅度可接近电源电压。因为前置放大器的增益大一些对抑制放大器件本身噪声有前级放大 低通滤波 后级放大 带通电路 脑电信号 显示 脑 -机接口 二次放大 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 4
7、 利，根据 Ag=1+50K /Rg.， 欲使增益为 100， 计算得 Rg=510 ， 根据实际 可将 Rg 510 , 则 实际 放大为 99 倍，增益误差为 1%； G=1000 时 CMRR 典型值为 115dB， 3dB 带宽为 0.147K Hz，大于设计要求。 备选方案：选用 AD623，最小供电电压为 2.5V，最小功耗 650mW 。 具有轨 轨的特性，输出幅度可接近电源电压 。 根据 Ag=1+100K /Rg，欲使增益为 100，计算得 Rg=1K ， 根据实际可 取值为 Rg=1K ，则实际放大为 101 倍， 增益误差为 1% ； G= 1000 时 ， CMRR 最
8、小值是 105, 3dB 带宽为 2KHz， 大于设 计要求。 前级并联放大器及跟随器选用低功耗精密放大器 max414， 采用 CMOS 技术制造。最低工作电压为 2.4V，功耗 30mW。输入电压应在比负电源高 1.5V，比正电源低 1.5V。输出电压范围（ 2K 负载）在比负电源高 1.3V 和比正电源低 1.4V 之间。 备选 方案：由于 max414 输入阻抗只有 2K ，跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能不能达到设计要求。因此 前级 跟随器 可 选用放大器 LM324， 输入阻抗 2M， 工作电压为 1.5V to 15V。采用跟随器设计，提高输入阻抗。 因此前级放大器共放大 10
9、0 倍。 噪声 分析 ： 芯片噪声 ： max4194： 失调电压 2.0 V/ ， G=100， f=10Hz 时 噪声密度 =32nV/Hz； AD623： 失调电压 200 V/oC 失调电流 2 V/oC， G= 1000 f=1 kHz 时 输入 噪声密度 = 35 nV/Hz ，输出 噪声密度 =50 nV/Hz； max414： 其特点是低噪声 ， f= KHz 时噪声密度 2.4nV/ Hz ， 增益带宽积 28MHz，单位增益稳定，压摆率 4.5V/ S， 失调电压 250 V， 静态电流 2.5mA。 通过计算运放噪声小于设计要求噪声，符合要求。 Lm324： 失调电压 典
10、型 7 V/oC ， 失调电流 典型 10 V/oC， 偏置电压最大 7mV，偏置电流最大 2nA， f=100KHz 时带宽 1.3MHz；输入 KHz 时 ， 噪声密度 为 40nV/ Hz ， 电阻噪声 ： 电路中噪声影响最大的电阻就是并联的 R3、 R4，阻值为 1M； 噪声电压的均方值为： kTBRVn 42 ， 其中 k=1.372*10-23J/K,T=293K，医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 5 B=150Hz， R=500K1M， 计算得输入导线上 50K1M 电阻在 30Hz 内的热噪声最大为 0.0785 V，R3、 R4 总
11、共引入噪声为 11.07 8 5.07 8 5.0 22 V， 其他电阻带入系统热噪声 远小于此值，可以近似忽略 ， 0.11 V 3 V 符合设计要求。 其他设计 设计要求在输入出现 5000V 高压时不会损坏电路， 两 个二极管可以选用低漏电的微型二极管 IN4148，其最大允许通过电流为 100mA， R=50K，从而这样输入端可以承受高达 5000V的高压而不被破坏后级电路。 无源高通截至频率为 0.5Hz， 计算取值 R3=R4=100K， C=4.7 F，符合要求 ，主要用于滤出直流偏置电流 ； 采用共模驱动 电路， 提高共模抑制比 ； 提取 共模信号的电阻不可取的过大，否则会影响
12、仪用放大器的信号输入； 电源两侧并联一大电容一小电容，目的是滤除高频干扰和低频干扰。 2、低通滤波器 截至频率为 30Hz 的有源二阶低通滤波器 设计要求 ：截至频率 30Hz 参数选择 ：由归一化得 参数如图所示 电路说明 ：选用六阶低通滤波主要是考虑一方面对 30Hz 的滤波效果好一些，另一方面要通过此低通对 50Hz 工频进行有效的抑制，从而省去 50Hz 陷波环节，避免因陷波中心不准而造成的无法有效抑制工频干扰的后果，电路模拟如下图： 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 6 可见在 50Hz 处衰减已经到达 26dB，即如果有 1mV 的工频信
13、号将通过低通衰减到 47 V,已经满足设计要求。 、后级放大电路 设计要求 ：放大倍数 ： 10 倍； 由于信号在通过此部分时量级在 100uV10m 之间，固定电阻噪声相对可变电阻的小，因此不设计成可调增益，为了达到低功耗要求 ，电阻取值如图，因此要在正输入端放置 100K 电阻，减少偏置电流影响，阻值应为 R1、 R2 的并联；输入端 加入 滤波 电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。 参数选择 ：其中 低通截止频率为 30Hz。 、带通滤波器 设计要求： 可调中心频率和带宽的带通电路， 用于分别捕捉波（ 813 Hz ）波（ 1322 Hz）。 BW=8.3Hz13.8
14、Hz 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 7 计算公式 ： 对任意带宽 RWx 的响应可计算如下： 231log10dBBWB W xdB 其中 BW3dB=Fo/Q 电路计算公式：已知 Fo、 Q、 w CFQR 01 212 212 QRR 13 2RR 如图参数选择 得 812Hz 时 Fo=10Hz、 BW3dB=4Hz、 Q=2.5、 R1=39.8K、 R2=3.46、 R3=79.6、 C=1 可以用 调节 、 Q，各参数互相影响很小。 芯片选用： 其中，滤波部分和后级放大电路的芯片均选用 LM324，其可工作在 2.5V的单电源或 1.
15、25V的双电源。功耗 500mW， 其偏 置电压最大 7mV，偏置电流最大 2nA， f=100KHz时带宽 1.3MHz；输入 KHz时 ， 噪声密度 为 40nV/ Hz ，由于脑电信号已经过前级放大 2500倍，信号基本已到 mV量级，因此 LM324参数符合要求。 备选方案，可采用 max291系列芯片，其可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤波器，具有高精度频率和高 Q值。 PDIP封装，易于实验 。 、 二次放大 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 8 此设计是为 使系统总增益可为 20000，可以调节，防止放大过大溢出和过小不便观察。加
16、入 滤波 电容，滤出前一级引入的漂移电流，限制带宽，使白噪声减小。 6、电池供电电路 采用四节 1.5V 干电池供电，如下电路。 在电源输出两极加入滤波电容，减小电源纹波。电源稳压可采用低压降稳压块 LP2985。 可加入低压降稳压块 LM2940，高负载时压降为 40mV，输出电流可达 1.25A，典型 值 压降为350mV 输出电流为 1，静态电流为 。电路连接如上图所示。 四、小结 1、脑点信号微弱很容易被干扰，减小噪声和抑制干扰很重要。 尽量的缩短各个模块的连接线，减小带入系统的工频干扰和其他干扰； 导联线放置紧贴电路板，分别从电路板上下通过； 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 30
17、04202330）指导教师：李刚教授 9 选用屏蔽盒和屏 蔽线； 设置头皮电阻检测电路，测量电极是否接触良好。 测试中可能存在的干扰 (包括眼电、肌电信号和周围环境的变化 )，一般容易出现的八种情况 : 磨牙、点头转头、打哈欠、眨眼、抬眉毛转眼球、移动数据采集线、附近有东西掉在地上、说话等。 在测量时应注意这些干扰带来的影响。 2、上述设计只达到了脑电放大器的最基本的要求，作为一个完整的便携式脑电机还需要头皮电阻测量电路，增益控制，记录与分析、显示和存储部分等，所以上述设计还很不完善。 3、脑电机头皮测量电路是脑电图机组成的必要部分，电极与头皮接触的好坏影响着电极接触 电阻的大小，电极与皮肤的
18、电阻越小，得到的波形质量就越高越稳定。 一般头皮电阻在 20 千欧（ K ）符合要求，少于 5K 更好，若电阻值过大容易产生干扰或造成波形失真。 一般的头皮阻抗测量电路为： 其可行性还需要在实验中验证。 3、在滤波环节采取是模拟的方式，效果不如数字的好，要是想达到真正的便携和利用波的阻断现象由人脑发出开信号，完成身边设备的控制，对于其稳定性和抗干扰性有很高的要求，一定要将本系统数字化。 关于后级的 A/D转换及数字信号处理部分，其核心器件可选择 ADI公司的一 A型 AD7708芯片。它是 ADI公司的一种多信道 16位 ADC，支持 4或 5信道全差分输入以及 8或 10信道伪差分输入。主要
19、由 1个输入多路复用器、 2个缓冲器、 1个 PGA、一 AADC、串行接口控制逻辑及片上锁相环组成。具有 (1)高精度， (2)可选择测量范围， (3)低功耗， (4)体积小，等特点，适于设计要求。并且可在实现数字化的基础上继续进行滤波和数据的分析，以达到辅助诊断疾医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 10 病的目的。 显示部分可选用 LCD器件，使结果更直观，观察更方便；另外此系统可加在一些便携式器件中，如 MP4播放器等，既可实现便携式观察又为“意识遥 控器”的发展打下基础。 附。芯片供电电压参考： AD623： Dual 2.5V to 6.0V
20、 AD620： Dual 2.3V to 18V MAX4194: Single +2.7V to +7.5V MAX414: Single Low 2.4V to 5V max 12V LM324: Single +3V to +30V Dual 1.5V to 15V LF347: 18V, 15V MAX； Single +5V Dual 5V 附 2：芯片管脚说明 Max4194： G=1+49.4K/Rg AD623： G=1+100K/Rg LM324： 医用电子学课程 设计报告 王慧泉（ 3004202330）指导教师：李刚教授 11 LP2985： Max291： LM2940
