交流脑电放大器设计报告精选.doc

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交流脑电放大器设计报告精选

交流脑电放大器设计报告 3004202338-1-张姝静 脑电概述与设计目的 人的大脑皮层中存在着频繁的电活动,人正是通过这些电活动来完成各种生理功能的。检测并记录大脑皮层持续的节律性电位改变,即自发脑电产生和脑电波,长期以来,脑电图主要用于临床神经诊断和认知生理心里学研究,随着信号采集和处理技术的进步,脑电信号已经被用于康复领域,可见,脑电在生物医学上有重要的意义。 脑电波根据频率与振幅不同可分为: (1)α波:频率为8~13 H z,振幅为20~100μV,可在头颅枕部检测到,它是节律性脑电波中最明显的波;整个皮层均可产生α波。α波在清醒、安静、闭眼时即可出现,波幅由小到大,再由大到小规律性变化,呈棱状图形。 (2)β波:频率为14~30 H z,振幅为5~20μV,在额部和颞部最为明显,是一种快波。的出现一般意味着大脑比较兴奋。 (3)θ波:频率为4~7 H z,振幅为10~50μV,是在人困倦时,中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。 (4)δ波:频率为0.5~3 H z,振幅为20~200μV,在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现。 由此可知,取自大脑皮层的脑电幅值范围为10~200μV,主要频率集中在0.5~30 H z。 此次脑电放大器的设计目的是实现在被测者心电、肌电干扰较弱的相对静止状态下对其进行脑电检测。此放大器主要可医院的床边脑电观察和初步的脑病诊断。 系统设计 根据脑电信号微弱,信号源阻抗较大,背景噪声强等特点对其放大电路的性能要求如下: 由于脑电信号在μV量级,因此需要较高的放大增益(); 为减轻共模电压对脑电检测的严重影响,以及减小极化电位的干扰,系统应具备高的共模抑制比(); 由于脑电信号取自人体表面,具有较高的信号源阻抗,这就要求系统的输入阻抗大(); 低噪声,以提高信号的信噪比(输入端短路噪声(p-p)); 低漂移,以防前置放大器出现饱和; 充分考虑安全性,保证人体绝对安全。 本次设计中系统的总放大增益设为20000以上,带宽设定为0.5~35 H z。 系统框图如下: 图1.系统框图 系统先经过仪器放大器对来自头皮电极的脑电信号进行前置级放大。然后,对放大过的信号进行高、低通滤波放大、工频陷波和后级滤波放大达到V级。整体电路以220V交流经整流稳压后的直流供电,为保证人体安全,电路中采用光电隔离使前后电路没有了电的联系,同时使用隔离型DC/DC为光电隔离前的电路供电,实现了电源的隔离。 三、单元电路设计 1、前置放大器 脑电信号前置级放大电路根本上影响整体系统的性能,因此对前置级放大电路进行了专门的设计。由于脑电信号属于差模信号,空间市电50Hz干扰在mV量级,属于共模信号,电极与皮肤接触的极化电势在l0~100mV之间,接触电阻在1—10kΩ之间,因此前置放大器的需要很高的共模抑制比,和很高的输入阻抗,这样才能从50Hz共模干扰中提取出脑电差模信号,并且减少共模干扰转变为差模干扰。 一般的集成化仪器放大器都具有很高的共模抑制比和输入阻抗,因而,集成化仪器放大器通常用来作为前置放大器。集成化仪器放大器的共模抑制比与增益相关:增益越高,共模抑制比越大。然而,由于极化电压的存在,为使其不被放大到V级,前置放大器的增益只能在几十倍以内,这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。 在输入端利用高通滤除极化电压可以解决这一问题,由于电阻电容不宜匹配,会将共模转化为差模噪声。于是设计中采用共模驱动解决这一问题。但若从主放大器中取共模电压会影响其内部性能,所以在其前面做一次差动放大,从这部分接匹配电阻,从中间取共模驱动电压,就不会对仪器放大器造成影响,从而能最大限度的给仪器放大器创造输入端的良好条件,发挥其良好的性能。 前置放大器电路如图2: 图2. 前置放大器 无源低通滤波 R1、C1、R2、C2构成无源低通滤波,用以抑制高频干扰,如来自其它医用设备——超声检测、手术电刀、除颤等装置与外界的高频信号。同时,R1、R2也有限流保护作用。 截止频率:。 2)双向并联二极管 D1~D4选用低漏电的微型二极管1N4148,构成保护电路,使电路在出现5000V高压时不会损毁。 3)差动放大电路 A1、A2和R3~R5构成差动放大电路,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。同时可以接匹配电阻,从中间取共模驱动电压,给仪器放大器创造输入端的良好条件。 此级放大增益为 A1、A2选用芯片LM358,其脚位排列如图3: 图3. LM358脚位排列 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,具有高增益、低功耗(适合于电池供电)、低输入偏流、低失调电压和失调电流的等特性。基本参数为: · 直流电压增益高(约100dB) · 单位增

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