腦電信號調(diào)理電路設(shè)計

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）

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腦電信號調(diào)理電路設(shè)計

張學(xué)軍，溫?zé)?br/>（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：提取腦電信號是進(jìn)行腦電信號分析的第一步，其中關(guān)鍵的技術(shù)之一就是信號調(diào)理電路的設(shè)計。腦電信號是極其微弱的生物信號，對噪聲極為敏感、對放大器性能要求較高。設(shè)計了預(yù)處理電路中的放大以及濾波電路，具有元器件簡單、價格低廉等特點(diǎn)。測試結(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；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)展的時期，現(xiàn)階段用于腦電信號分析的儀器設(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)的普及相對容易，更易被用戶接受。

腦電圖機(jī)的性能、價格、體積、是否易于普及等特性，在很大程度上取決于腦電信號調(diào)理電路的設(shè)計，這也是腦電圖機(jī)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

腦電信號（EEG）是極其微弱的生物信號，頻率集中在0.5～100 Hz，幅值只有5～100 μV［1］。因此EEG信號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，如電極引出信號時的噪聲、元器件內(nèi)部的熱噪聲等。此外，小信號的放大也是難點(diǎn)之一。要將EEG信號放大至能被A/D轉(zhuǎn)化器所識別的大小，整個系統(tǒng)至少需要達(dá)到上萬倍的增益。腦電信號調(diào)理電路的主要任務(wù)就是對腦電信號進(jìn)行濾噪及放大。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計思路是保證系統(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級逐級放大。濾波電路用來濾除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信號，同時濾除50 Hz的工頻干擾噪聲［3］。調(diào)理電路總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2　調(diào)理電路設(shè)計

按照總體框圖中各個模塊分部分闡述具體電路的設(shè)計工作。

2.1EEG輸入

國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。采集到的頭皮信號同步送入下一級差分放大電路。

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的模塊。腦電信號只有μV級別，需要放大上萬倍。但是初次放大不宜過大，此時噪聲沒有被濾除，它對EEG信號的影響極大，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、價格便宜等特點(diǎn)［4］。其增益G的計算公式為：

外接電阻RG取2～3 kΩ，此時G約為20，共模抑制比約為110 dB。

2.2.2后級放大電路

經(jīng)過初次放大，放大增益仍不能滿足設(shè)計需求，需要第二級放大。后級放大電路設(shè)計增益大約為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)置為滑動變阻器即可動態(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，其腦電信號振幅會有所差異，可適時調(diào)節(jié)。

圖2　后置級放大電路

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，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

腦電信號的主要頻率集中在100 Hz以內(nèi)，因此可將大于100 Hz的信號直接濾除，該電路傳遞函數(shù)為：

其中，C1=C2=0.01 μF，R1=33 kΩ，Rf（R2）=20 kΩ，R3= R4=100 kΩ，得到截止頻率為：

電路圖以及波特圖如圖4所示。

圖3　高通濾波電路圖及波特圖

圖4　低通濾波電路圖及波特圖

2.3.3陷波電路

我國市電電壓的頻率為50 Hz，它同樣會對設(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：

中心頻率為：

電路圖以及波特圖如圖5所示。

圖5　陷波電路圖及波特圖

2.4 電平抬升電路

A/D轉(zhuǎn)化器能識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓大多在0～3.3 V，呈單極性。保證EEG信號負(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。

圖6　電平抬升電路

3　系統(tǒng)性能測試

調(diào)理電路設(shè)計并制作完成后，對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，結(jié)果如下。

3.1低通濾波電路測試

設(shè)計的截止頻率為100 Hz，測試時，維持濾波器輸出端的電壓為10 V，改變輸入信號的頻率，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的時候仍能保持較高的峰峰值。

表1　低通濾波測試

3.2陷波電路測試

測試方式與上文相同，結(jié)果如表2所示。

表2　陷波測試

3.3系統(tǒng)整體測試

本系統(tǒng)前置放大電路實(shí)際增益為19，后級放大為578，總體增益為10 982倍，達(dá)到設(shè)計需求。

4　結(jié)論

本文設(shè)計了腦電信號調(diào)理電路，完成了信號的頭皮采集、放大、濾波等預(yù)處理工作，并對該調(diào)理電路的性能做了分析。總體上達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。該電路仍有可改進(jìn)的地方，如加入緩沖電路、右腿驅(qū)動電路等。

參考文獻(xiàn)

［1］陳長偉，谷秀鳳.備考江蘇省計算機(jī)等級考試（二級VFP）策略［J］.經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2010（4）：85-86.

［2］鐘文華.基于ARM的腦電信號采集系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2008（2）：13 -15.

［3］謝宏，李亞男，夏斌.基于ADS1299的可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（3）：86-89.

［4］李永建，李舜酩，郝青青，等.微弱振動信號自適應(yīng)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技，2009，32（5）：187 -190.

［5］史駿，彭靜玉.基于雙T網(wǎng)絡(luò)的50Hz陷波電路設(shè)汁［J］.科技信息，2011（21）：121-122.

張學(xué)軍（1969 -），男，博士，教授，主要研究方向：腦電信號處理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

溫?zé)槪?991 -），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

引用格式：張學(xué)軍，溫?zé)?腦電信號調(diào)理電路設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（10）：55-57.

Design of EEG signal pretreatment circuit

Zhang Xuejun，Wen Wei
（Shool of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Abstract：Extraction of EEG signal is the first step of EEG analysis，which is one of the key technologies of signal pretreatment circuit.EEG signal is extremely week bio-signals，which is extremely sensitive to noise and has higher requirements for the performance of the amplifier. This paper designs amplifier and filter circuit of pretreatment circuit which has the advantages of simple components and low cost.Test results show that the amplification and filtering system has good performance.

Key words：EEG signal；amplifier；filter

作者簡介：

收稿日期：（2015-12-22）

中圖分類號：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.019