便携式脑电放大器设计方案报告.docVIP

医用电子学课程设计报告 王慧泉（3004202330）指导教师：李刚教授 PAGE PAGE 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10000~50000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通常包括多种不同频率的波。 　　头皮表面的EEG信号范围为1～100μV。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： δ（Delta波）：0.5～4Hz，深度睡眠状态 θ（Theta波）：4～8 Hz，梦境状态 α（Alpha波）：8～13 Hz，催眠、冥想状态 β（Beta波）：13～22 Hz，清醒或激动状态 γ：22~30 Hz及更高频率。 　　重点放大α波和β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α波作为一种自发脑电，与视觉皮层的闲散节律相对应，多在清醒闭目时出现；睁眼、思考问题，或接受其它刺激时，α波消失，转而出现快波；如果又安静闭目，则α波又重新出现，这一现象称为α波的阻断现象。通过观测α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 １、脑电检测的频带选择 α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，α节律可抑制。 β节律 　　是指频率为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β活动占优势时，其波幅可达50uV。β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，β活动明显增多，β活动波幅增高多数是神经细胞兴奋增高的表现。适量的β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。 ２、干扰的抑制 电极噪声：由于电极极化产生的噪声，对此干扰采用银—氯化银电极，是一种不易极化的电极，极化电压仅数毫伏； 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； 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） 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。 ３、系统模块设计 脑电信号 脑电信号 　　　　　　　　　　　　　　 二次放大脑-机接口显示 二次放大 脑-机接口 显示 前级放大 低通滤波 后级放大 带通电路 四、单元电路设计与分析 一般脑电机的技术指标为： 输入阻抗大于10MΩ； 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3μV； 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CM