脑电课程设计

生物医学电子学课程设计说明书目录一：脑电信号特点及相应技术要求；（1）EEG电信号特点（2）相应技术要求二：硬件电路设计（1）整体规划及设计流程图（2）前置放大电路；（3）一、二级放大电路（4）滤波电路（5）50Hz工频陷波器设计三：软件仿真调试（1）加载正弦信号测试；（2）加载心电数据测试；四：分析总结一:生物电信号特点及相应技术要求(1)EEG信号特点脑电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。

对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。

现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5~200µV（而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV）其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。

因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。

而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。

EEG,脑电信号，是通过贴附在大脑体表的电极检测到的生理电信号，具有生物医学电信号的共性，都属于低频缓变小信号，但同时与ECG 等其他电信号不尽相同。

1、频率特性绝大多数生物医学信号处在DC至10kHz之间，并具有较宽的频带。

经查找相关资料，可以认为EEG信号处在1Hz至100Hz。

2、幅值特性绝大多数生物医学信号非常微弱。

ECG信号幅值在mV级，EEG信号幅值在uV级。

3、信号源阻抗高生物电信号源自活体，内阻在kΩ、MΩ级。

4、强噪声和干扰（1）干扰（来自测量系统外部的无用信号）：人体属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽，很容易接受外部电磁波干扰。

普遍存在的工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，完全淹没微弱的生物电信号。

（2）噪声（来自测量系统内部的无用信号）：分人体噪声和仪器内部噪声（电噪声）。

采集EEG时肌肉颤动和呼吸运动形成噪声。

电噪声由仪器内部载流子的无规则热运动造成，也称热噪声。

(2)EEG信号放大器的技术要求1、增益高2、输入阻抗高对信号源的影响小，拾取的信号强。

3、噪声极低不淹没极其微弱且信噪比低的生理弱信号。

4、共膜抑制比高清除工频及电极极化电位的干扰。

5、基线漂移小使频带下限低放大倍数高的电路不致饱和，便于级连。

6、频带适当抑制噪声，防采样混叠。

7、隔离阻抗大（3）确定设计目标1：输入阻抗高输入阻抗（≥10M Ω）等要求。

2：共模抑制比高共模抑制比（应大于80dB ） 3：增益要求高增益（10000～100000倍）二：硬件电路设计（1）整体规划及设计流程图经分析，整个电路应包含以下模块：放大模块，滤波电路，50Hz 陷波器放大电路：放大倍数约为3万倍，故应采用多级放大相级联，考虑到电路对共模抑制比及输入电阻的较高要求，本文采用同相并联型差动放大器，又称三运放电路结合同向比例放大器完成放大任务。

滤波电路：考虑到带阻滤波器实现起来不易且实际效果难以达到要求，（衰减不满足要求），本文采用高通滤波器与低通滤波器级联的方法实现滤波功能，经实践检验，效果比带阻滤波器效果理想。

50Hz 陷波器：考虑到EEG 信号频谱范围包含50Hz 市电频率，故滤波电路中需包含相应电路模块，将频率为50Hz 的信号衰减至较小值，不应对后续电路造成影响。

根据以上分析，可以得到电路设计流程图，如图1所示图1 设计流程图（2）前置放大电路1、同相并联型差动放大器（即三运放电路）影响多级放大器的噪声性能的主要是第一级，为达到低噪声性能，设计时须尽可能地增大第一级的增益，并选用低噪声器件来构成第一级。

但第一级（前置级）的增益也不能无限制增大。

电路的直流稳定性会被过大的增益破坏；还要考虑电极与皮肤接触可以接受的要求。

所以采用如图2同相并联型差动放大器，并使fA 取30。

图2同相并联型差动放大器（1）电路构成其第一级是由两个运放A1、A2组成，信号由两个同相输入差分放大器输入，因而有很高的输入阻抗。

第二级是由A3构成的基本差分放大器。

（2）高共模抑制比共模抑制比的定义cd CMR A A K lg20=A1与A2的总共模抑制比212112CMRCMR CMRCMR CMR K K K K K -=选择1CMR K 、2CMR K 尽可能接近，则∞=12CMR K31CMRd CMR K A K =A3是电路具有高共模抑制比的主要环节，只要保证A3的外围电阻具有对称性，就可以使电路具有很高的共模抑制比。

这里dB dB dB k k K CMR 8012060111>=⨯⎪⎭⎫⎝⎛+=（3）差模电压放大倍数dA =⎪⎪⎭⎫⎝⎛+1221R R ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-31RR f 这里3011011211-=⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+==k k k k A A d f（4）作用抑制共模信号，将电压幅值放大30倍。

（3）一二级放大电路本文采用同向比例放大器作为一二级放大电路图3一二级同向输入放大器采用两级级联方式，放大倍数可达到100倍（4）四阶高通滤波器3、四阶高通滤波器 参数选择：中心频率fc=RCπ21=1HZ ； K=1.15；C1=C2=0.1μF ；R5=R8=1592K Ω,R1=25 K Ω,R4=3.75 K Ω.此时品质因数Q=13K-=2.13，Q 值较小，故采用两级级联以增大Q 值图4 四阶高通滤波器图5 四阶高通滤波器的幅频特性红线、蓝线分别表示的是二阶和四阶高通滤波器的幅频特性。

随着阶数的增加，截止陡度趋于理想。

截止频率：01f Hz =放大倍数：3 1.15*1.15 3.0625f A ==（5）四阶低通滤波器4、四阶低通滤波器 参数选择：中心频率fc=RCπ21=100HZ ； K=1.15；C3=C4=0.0637μF ；R4=R3=R8=25K Ω。

R2=3.75 K Ω.此时品质因数Q=13K-=2.13，Q 值较小，故采用两级级联以增大Q 值图6四阶低通滤波器图7四阶低通滤波器的幅频特性红线、蓝线分别表示的是二阶和四阶低通滤波器的幅频特性。

随着阶数的增加，截止陡度趋于理想。

（6）50Hz 工频陷波器参数选择：中心频率fc=RCπ21；品质因素：Q=12(2)K -，Q 值不易选太大，否则易产生自激，一般选十到几十左右，这里取Q=20，K=1.75； C=0.1μF ；R=31.8K Ω。

图8陷波器图9二阶（红线）、四阶（蓝线）陷波器的幅频曲线截止频率：Hf50=放大倍数：51.75*1.75 3.0625fA==三：软件仿真调试（1）加载正弦信号测试（2）加载心电数据测试四：分析总结整体参数选用情况（1）具有较高输入阻抗测量方法(如图17)，将整个系统的输入端接入直流电压源，在一级运放的外接电阻上并连电压表，用分压法测得输入阻抗大于1MΩ。

图17测量等效输入阻抗 （仅截取了全电路的输入部分）（2）放大器差动增益计算值430100 1.15*3.0626416262*4 6.4d A =⨯⨯⨯=≈万倍实测值（如图17） （3） 具有较高共模抑制比计算值dBdB CMRR 80120>=测量值在输入端接入共模信号和差模信号，令共模信号为零，测得差模增益o d iV A V ==（当0=id V ）令差模信号为零，测得共模增益o c iV A V ==（当0=ic V ）计算共模抑制比20lgd C M R cA K A =（4）频带范围50Hz 工频被滤除整体滤波效果见图9。

图9整体幅频曲线三、滤波器的选择与参数设定1、考虑是否采用电子元件由于生理信号频率较低，选用有源滤波器。

2、考虑截止频率附近的幅频、相频特性较适合生理信号特征的滤波器有巴特沃兹滤波器和塞贝尔滤波器。

前者适用于注重频度有较好截止特性的场合，后者适用于注重相位的场合。

由于本设计要求频度有较好的截止特性，所以选用巴特沃兹滤波器。

3、考虑通带和阻带所处范围（幅频特性）（1）放弃使用带通滤波器设计要求频带范围在0.5Hz 到100Hz ，最直接的选择是带通滤波器（带通滤波器的电原理图如图1）。

根据中心频率0f =hp lp f f *≈7.07Hz确定相关参数：000121002ωπωR C f K～R ===图1带通滤波器电原理图然而，二阶带通滤波器的截止陡度不够，虽然可以用多个二阶带通滤波器串联来增加截止陡度（即增大品质因数Q ），但是Q 与通带宽度B 满足如下关系：（0f 为带通滤波器的中心频率 ）Q f B 0即：中心频率恒定，级连增大Q 的同时，带宽B 变窄，二、四、六阶带通滤波器的幅频曲线如图2：图2 带通滤波器的幅频曲线二、三、四阶分别对应红、蓝、绿线。

比较可见，随着阶数的增加，频带陡度明显增加，但同时频带宽度也明显减小，被测信号通过二阶带通滤波器级连构成的多阶带通滤波器，低于0.5Hz 和高于100Hz 被滤除的同时，会出现明显的失真。

图3为通过四阶带通滤波器前后的的波形图。

其中，红线表示混有白噪声的心电信号经过三运放和反相器，进入四阶带通滤波器前的波形，绿线表示四阶带通滤波器的输出波形。

可以看出：输出波形虽然去除了一些“毛刺”，这些“毛刺”的频率应在0.5Hz 至100Hz 以外，但是心电波形明显失真，拿最明显的QRS 波来说，甚至发生了反相，查相关资料获知QRS 波的频率约为17Hz ，在通带范围内，但由于频带很陡，与频率为7.07Hz （中心频率）的成分，即幅值放大倍数最多的成分相比，放大倍数明显减小，所以失真严重。

图3通过四阶带通滤波器前后的波形因此，只能放弃选用带通滤波器。