脑电放大器设计学案.doc

3004202341－２－陈露诗 ―1―  PAGE - 9 - 脑电放大器设计报告 （直流供电） 指导老师： 李刚教授 精密仪器与光电子工程学院 04级生物医学工程二班 陈露诗 3004202341 2006－12－26 脑电放大器（电池供电）设计报告 3004202341－２－陈露诗－2007 一、设计目的与意义 脑电概述 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。 通过电极和导线从头皮上或者从大脑皮层上直接将大脑产生的节律性电位变化，传送至特制的记录装置——脑电图机上记录下来，形成动态曲线，这就是通常称为的脑电图（electroencephalogram,EEG），脑电图反应了大脑皮质的自发脑电活动。 走纸传动 时标笔 声光刺激器 时标信号发生 EEG记录 ECG放大器 输入盒 导联选择 2号EEG放大器 3号EEG放大器 8号EEG放大器 2号EEG放大器 校正信 号 前置放 大 控制网 络 干扰抑 制 增益调 节 主放大 器 EEG记录 图1－1脑电机框图 由于脑电信号非常微弱，通常在μV量级，所以脑电放大器的前置放大器应有较高的要求，应由较低的输入噪声（3μVp-p）、高增益（500～10000倍）、高共模抑制比（应大于80dB）、低漂移和高输入阻抗（≥10MΩ）等要求。通常脑电前置放大器采用三运算放大器电路，采用低噪声场效应管作为输入级，用同向输入方式，以确保高阻抗和低噪声。 脑电图机的主放大器包括后级放大及功率放大，以获得足够的功率输出。为了实现脑电信号的放大以便于观测，我设计的脑电放大器重点在设计上图虚线框里的部分。 ２）脑电信号分析 脑电图是一种随机性的生理信号，其规律性远不如心电图那样明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断的主要依据，而频率成分显得尤为重要。因为大脑活动的程度与脑电图节律的平均频率之间有密切的关系。 一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分为五种类型，频率由高到低，依次为γ波、β波、α波、θ波、δ波（表2-1） 表2-1 脑电图中各波的频率范围和幅值 类型频率范围峰值α波 β波 γ波 δ波 θ波8~13Hz 13~30Hz 4~8 Hz 0.5~4 Hz 〉31 Hz5~20μV 20μV 100μV 100μV 2μV３）设计目的 实现对正常人脑电信号的放大，查明脑电图中各类波的比例，并观察比较不同频率的脑电信号的波形、强弱特点。 二、系统设计 电极导联 与信号输入 无源高低通 滤波 信号输出 后级放大 50HZ陷波 低通滤波 前置放大 稳压源 设计模块 前置放大器采用低噪声、低漂移的精密仪表放大器AD620作为主放大器，前级采用两个单运放OP07运放放大器组成并联型差动放大器。在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样，可为后级仪器放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，还采用了共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻容元件参数不对称导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。50HZ工频陷波采用了可调Q值的双T型网络，以实现高精度的陷波。后级放大采用两个反相器级联。为了有效抑制干扰，还采用了多芯屏避电缆。 前级放大倍数为500倍，由并联型差分输入电路与前置主放大共同作用实现。其中信号经过并联差分放大5倍，然后再经过AD620放大100倍。后级放大20倍，由两个反相器串联实现。由于我的设计目的是为了观察脑电信号波形的差异，为了尽量减少不必要频率的信号对观测造成干扰，即为了尽量抑制噪声，我选择将信号频率带宽设为0.5HZ～35HZ。在调试电路中，先经过仪表放大器对来自头皮电极的脑电信号进行前置放大。然后，对放大过的信号进行低通滤波及