基于multisim的脑电采集系统的设计与仿真

课 程 设 计 说 明 书题目 基于multisim的脑电采集系统的设计与仿真 学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 目录1 课程设计的目的42课程设计的要求43 脑电放大滤波的方案设计54脑电仪采集电路5 4.1前置放大电路5 4.2高通低通滤波电路8 4.3 50Hz工频陷波10 4.4电平二级放大电路125 课程设计总结136 参考文献141课程设计的目的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5200V（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。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，频率由低到高，将正常的脑电信号划分为( 0. 5 3. 5Hz) ,波(47 Hz) ,波(813 Hz) , 波(1830 Hz) ,波(31 Hz以上)。本课程设计目的是设计一个低功耗脑电仪采集电路。脑电信号采集模块主要由脑电采集电路、信号放大电路、滤波电路和AD 采样电路组成。脑电信号十分微弱且有较多干扰，所以在电极采集到心电信号之后，先通过放大电路将信号高保真放大，然后再通过滤波电路滤除诸多干扰得到较高信噪比的心电信号，最后进行AD 采样。2 设计要求及注意事项由于脑电信号十分微弱，通常在微幅量级，所以脑电放大器的前置放大器应有较高的要求，应有较低的输入噪声，高增益，高共模抑制比低漂移和高输入阻抗等要求。具体参数要求如下：（1） 增益：5001000倍（2） 共模抑制比：大于80dB（3） 输入阻抗：大于10兆欧姆 同时满足安全、实用、可靠等特点干扰信号主要来源：1工频干扰50Hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由50Hz的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与ECG峰峰值相当或更强。2电极接触噪声。电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接触，即病人与检测系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病入的运动和振动导致松动；也可能是固定的，检测系统不断的开关，放大器输入端连接不好等。3肌电干扰(EMO)肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30Hz300Hz范围内。此外还有人为因素、基线漂移、呼吸影响等因素干扰。3 脑电放大滤波的方案设计由传感器采集到的脑电通过前置放大电路进行放大，在经过滤波器进行滤波出去噪声和干扰，最终得到可用的脑电波形。最红通过电平提升电路将低电平提升到AD转换器可用的电压。系统的整体框图如图1所示。图1 便携式脑电仪采集系统的整体框图其中由于被测信号是微弱的电流信号, 放大容易引起电压电流的失调, 以及零点漂移、自激干扰等现象; 还有背景噪声、电路噪声、元器噪声的影响。上述这些因素对微弱信号放大器的精度、稳定度要求很高, 这时普通的运算放大器和仪用放大器已经无法满足精度的要求。最后前置放大电路选用集成运算放大器ICL7650。高通滤波主要是滤除电路中的直流成分,如:极化电压等,本设计中采用的是一阶无源高通滤波器,放在隔离级之后,主放大电路之前,来消除直流成分的干扰。低通滤波器是用来通过低频信号、衰减或抑制高频信号。设计中采用了相频特性较好的巴特沃斯压控电压源式电路(VCVS) 。为了使滤波特性更接近理想情况,使用了四阶低通滤波电路,由两个二阶滤波电路级串联而成。最后在通过反向放大得到最终可用的波形。4脑电仪采集电路4.1前置放大电路采用ICL7650芯片进行放大，其内部构造如图2所示 图2 ICL7650内部构造ICL7650 是Inter sil 公司利用动态校零技术和先进的CMOS 工艺制成的斩波稳零式高精度运算放大器。电路设计技术和先进工艺研制成功的第四代集成运算放大器。ICL7650 除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外, 还具有高增益、高共模抑制比、失调小和低漂移等特点。特点如下:输入阻抗: 1012 ;输入偏置电压平均温度系数: 0101 uV - 1 ;输入偏置电流: 10 pA ;开环增益: 120 dB ;转换速率: 215 v us - 1 ;单位增益带宽: 2 MHz最终的前置放大电路如下图3所示。 图3 前置放大电路将V ab 作为电压放大器的输入信号。所以电压放大器的输出电压为:Vo=（1+R3/R2）*Vi实际上, 考虑运算放大器不是理想的,其增益为有限值,则电路的反馈深度为:F=R3/(R2+R3)根据负反馈放大器的增益计算公式可以得到该同相放大器的实际增益为:A1=A/（1+AF）。Multisim软件仿真的图4，图5所示。图4 前置放大电路的multisim的仿真电路图 图5 前置放大电路的仿真波形4.2 高通和低通滤波电路（1）高通滤波由R1、C1构成,其截止频率为:f =1/(2*R1*C1)= 0. 05Hz 其测控电路图如图6所示图6 高通滤波电路图其相应的multisim仿真电路图，波形图如下图7、8、9所示。图7 高通滤波multisim仿真电路图图8 高通滤波multisim仿真幅度波形图v图9 高通滤波multisim仿真幅度相位图（2）由于容抗1/SC与信号频率f成反比,高频段时容抗很小,电容串联时将给高频信号提供畅通之路,反之低频时容抗很大, 电容串联时将使低频信号得到衰减和抑制。R2 R5、C2 C5和U1A 、U1B 构成四阶低通滤波器, 由于自发脑电信号的频率主要都在50Hz以下,为此设计其截止频率为:其相应的测量电路图如图10所示图10 低通滤波电路图其相应的multisim仿真电路图，波形图如下图11、12、13所示。 图11 低通滤波multisim仿真电路图图12 低通滤波multisim仿真幅度波形图图9 低通滤波multisim仿真幅度相位图4.3 50HZ工频陷波陷波器是利用压电效应制成的带阻滤波器,它的作用是阻止或滤掉信号中干扰成分在脑电信号的采集过程中,存在50Hz的工频干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制能力, 但有部分工频干扰是以差模信号的方式进入电路的,对脑电信号造成严重的干扰, 必须加以滤除。消除工频干扰的方法是使用带阻滤波器, 它能够使在规定的频带内,信号不能通过(或受到很大衰减或抑制) ,而在其余频率范围, 信号则能顺利通过。带阻滤波器又称陷波器。利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路,是作为抑制脑电信号测量中的工频干扰而经常采用的陷波电路结构。图4为本系统采用的有源双T网络陷波电路。在图4所示的50Hz陷波电路中,陷波器的中心频率为:f =1/(2*R1*C1)陷波器参数的确定一方面通过计算, 另一方面还要通过实验检测其滤波效果。本设计中R1 =R2 = 2R3 = R, C1 = C2 = C3 /2 ,根据上式算得f为50. 2Hz, 实际测得陷波器的中心频率为50.4Hz,满足设计要求。陷波器的品质因素Q, 决定滤波器的选择性,高Q对应较窄的阻带而低Q对应较宽的阻带。Q值的计算公式为:Q =1/（4*（1-F）,式中F为电路反馈系数: F =R5/(R4+R5)选取R1 = 261K , R2 = 54. 9K ,计算可得F = 0. 8, Q = 1. 25。这种陷波器电路能有效地滤除50Hz工频产生的干扰, 而且Q 值的提高保证了有用信号不被衰减。R4 = (1 - F) R, R5 = FRF值取值影响陷波电路的频带宽度。F 值越大,频率选择性越好。但是F值太高,滤波器的性能不稳定, 当元器件受温度等环境影响参数发生变化时,会使陷波点发生移动, 工频干扰就得不到有效的抑制。通常F取0. 8左右。此外双T网络中,两支路的R, C的对称程度决定陷波点的衰减能达到的最低限度。只有保持R 和C的严格对称关系,才能使对应于工频的信号互相抵消, 衰减到零。对于0 = 50Hz, F = 0. 82,取C = 10nF,则R = 316K。其相应电路图如下图13所示图13 50Hz工频陷波电路图其相应的multisim仿真电路图和波形图如图14、15所示图14 50Hz工频陷波multisim仿真电路 图15 50Hz工频陷波multisim仿真相位图图15 50Hz工频陷波multisim仿真相位图4、后级放大采用反相放大器进行后级放大。前端加有电容，隔直用。放大器正输入端接有平衡电阻，减少直流偏置。电路图如下图增益A2=-R2/R1=-20；参数选择：取R1=220K，R2=4.7M，平衡电阻为R3=R1/R2=210K；C1=2.2F。其相应的multisim仿真电路如下图16,17所示 图16 后级放大电路multisim仿真图 图17 后级放大电路multisim仿真波形图由前置放大和此级放大联合起来选用不同参数即可将采集到的信号放大的500倍以上。5 课程设计总结通过这周的课程设计，使我更进一步的了解了测控原理的相关知识，加深了对脑电方面知识的了解，初步达到了设计目的和要求，同时掌握的multisim仿真软件的基本应用，提升了自己的实际实践能力。明白了设计一个关于脑电采集系统应从哪几方面入手。此外也加强了我搜集资料和整理资料的能力，提高了自己动手分析问题、解决问题的能力。这些都对我以后的工作进行了即时的训练。并且在设计中遇到了许多问题，在对这些问题的解决上，也是对我个人能力的煅炼。而且这些问题的出现很有价值，是值得重视的,需要在我以后的学习中不断的加以完善和提高。但总的来说,通过这次的设计实验，进一步地增强了我的实际动手能力使我的理论与实践能力相结合，从而在整体上提高了自身的学习能力和理论素养。 脑电信号作为一种重要的生物电信号,在进行大脑疾病诊断的过程中需要对其进行记录,以提供临床数据和诊断的依据,因此脑电信号采集系统具有非常重要的临床意义。本设计通过前置放大、高通、低通滤波器和50 Hz工频陷波器的合理设计与仿真实现,克服了脑电信号提取中常遇到的一些困难,为脑电信号处理及特征提取提供一定的理论参考和分析。6 参考文献 1 谭郁玲. 临床脑电图与脑电地形图学M . 北京:人民卫生出版社, 1999. 2 蔡建新,张唯真. 生物医学电子学M . 北京:北京大学出版社,1997. 3 刘静. 心电图机XD一1048输入电路右腿驱动电路的分析与设计 J . 青岛大学学报, 1999, 17 (1) : 8586. 4 陆坤. 电子设计技术 M . 成都:电子科技大学出版社, 1997. 5 余学飞. 医学电子仪器原理与设计M . 广州:华南理工大学出版社, 2000 6 现代测控电路李刚 林凌 主编 高等教育出版社13