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文檔簡介

1、課 程 設 計 說 明 書題目 基于multisim的腦電采集系統(tǒng)的設計與仿真 學院(系):年級專業(yè):學 號:學生姓名:指導教師:教師職稱:目錄1課程設計的目的42課程設計的要求43腦電放大濾波的方案設計54腦電儀采集電路54.1前置放大電路54。2高通低通濾波電路84。3 50Hz工頻陷波104.4電平二級放大電路125 課程設計總結(jié)136 參考文獻141課程設計的目的腦電信號是與反映大腦神經(jīng)活動有關的生物電位,由皮層內(nèi)大量神經(jīng)元突出后電位同步總和所形成的,是許多神經(jīng)元共同活動的結(jié)果。對它進行檢測可用于神經(jīng)診斷和認知生理心理學研究,以及康復領域?,F(xiàn)在已明確,在頭皮上引導的腦電波振幅,在正常情

2、況下,從波峰到波底為5200µV(而從大腦皮層上引導的電位變化可達到1mV)其頻率范圍從小于1Hz到100Hz,波形因不同的腦部位置而異,并與覺醒和睡眠的水平相關,且存在很大的個體差異,也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現(xiàn)。因而腦電信號放大和采集的實現(xiàn)仍是一個難題。而實現(xiàn)腦電信號放大的主要困難在于高增益放大的同時去除各種干擾。腦電圖是一種隨機性的生理信號,其規(guī)律性遠不如心電圖那樣明確,通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷的主要依據(jù),而頻率成分顯得尤為重要。因為大腦活動的程度與腦電圖節(jié)律的平均頻率之間有密切的關系.一般將正常腦電活動相關的腦電波頻率范圍劃分為五種類型,頻

3、率由低到高,將正常的腦電信號劃分為( 0. 5 3. 5Hz) ,波(47 Hz) ,波(813 Hz) , 波(1830 Hz) ,波(31 Hz以上)。本課程設計目的是設計一個低功耗腦電儀采集電路。腦電信號采集模塊主要由腦電采集電路、信號放大電路、濾波電路和AD 采樣電路組成.腦電信號十分微弱且有較多干擾,所以在電極采集到心電信號之后,先通過放大電路將信號高保真放大,然后再通過濾波電路濾除諸多干擾得到較高信噪比的心電信號,最后進行AD 采樣。2 設計要求及注意事項由于腦電信號十分微弱,通常在微幅量級,所以腦電放大器的前置放大器應有較高的要求,應有較低的輸入噪聲,高增益,高共模抑制比低漂移和

4、高輸入阻抗等要求。具體參數(shù)要求如下:(1) 增益:5001000倍(2) 共模抑制比:大于80dB(3) 輸入阻抗:大于10兆歐姆 同時滿足安全、實用、可靠等特點干擾信號主要來源:1工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起,工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當或更強。2電極接觸噪聲。電極接觸噪聲是瞬時干擾,來源于電極與肌膚的不良接觸,即病人與檢測系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的,如病入的運動和振動導致松動;也可能是固定的,檢測系統(tǒng)不斷的開關,放大器輸入端連接不好等。3肌電干擾(EMO)肌電干擾來自于人體的肌肉顫動,肌肉運動產(chǎn)生毫伏級電勢。EM

5、G基線通常在很小電壓范圍內(nèi)所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲,主要能量集中在30Hz300Hz范圍內(nèi)。此外還有人為因素、基線漂移、呼吸影響等因素干擾。3腦電放大濾波的方案設計由傳感器采集到的腦電通過前置放大電路進行放大,在經(jīng)過濾波器進行濾波出去噪聲和干擾,最終得到可用的腦電波形。最紅通過電平提升電路將低電平提升到AD轉(zhuǎn)換器可用的電壓。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1 便攜式腦電儀采集系統(tǒng)的整體框圖其中由于被測信號是微弱的電流信號, 放大容易引起電壓電流的失調(diào), 以及零點漂移、自激干擾等現(xiàn)象; 還有背景噪聲、電路噪聲、元器噪聲的影響。上述這些因素對微弱信號放大器的精度、穩(wěn)定度要

6、求很高, 這時普通的運算放大器和儀用放大器已經(jīng)無法滿足精度的要求。最后前置放大電路選用集成運算放大器ICL7650.高通濾波主要是濾除電路中的直流成分,如:極化電壓等,本設計中采用的是一階無源高通濾波器,放在隔離級之后,主放大電路之前,來消除直流成分的干擾.低通濾波器是用來通過低頻信號、衰減或抑制高頻信號。設計中采用了相頻特性較好的巴特沃斯壓控電壓源式電路(VCVS) 。為了使濾波特性更接近理想情況,使用了四階低通濾波電路,由兩個二階濾波電路級串聯(lián)而成.最后在通過反向放大得到最終可用的波形.4腦電儀采集電路4。1前置放大電路采用ICL7650芯片進行放大,其內(nèi)部構造如圖2所示 圖2 ICL76

7、50內(nèi)部構造ICL7650 是Inter sil 公司利用動態(tài)校零技術和先進的CMOS 工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器。電路設計技術和先進工藝研制成功的第四代集成運算放大器.ICL7650 除了具有普通運算放大器的特點和應用范圍外, 還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和低漂移等特點.特點如下:輸入阻抗: 1012 ;輸入偏置電壓平均溫度系數(shù): 0101 uV · 1 ;輸入偏置電流: 10 pA ;開環(huán)增益: 120 dB ;轉(zhuǎn)換速率: 215 v ·us 1 ;單位增益帶寬: 2 MHz最終的前置放大電路如下圖3所示。 圖3 前置放大電路將V ab 作為電壓放大器的

8、輸入信號。所以電壓放大器的輸出電壓為:Vo=(1+R3/R2)Vi實際上, 考慮運算放大器不是理想的,其增益為有限值,則電路的反饋深度為:F=R3/(R2+R3)根據(jù)負反饋放大器的增益計算公式可以得到該同相放大器的實際增益為:A1=A/(1+AF).Multisim軟件仿真的圖4,圖5所示。圖4 前置放大電路的multisim的仿真電路圖 圖5 前置放大電路的仿真波形4。2 高通和低通濾波電路(1)高通濾波由R1、C1構成,其截止頻率為:f =1/(2*R1C1)= 0。 05Hz 其測控電路圖如圖6所示圖6 高通濾波電路圖其相應的multisim仿真電路圖,波形圖如下圖7、8、9所示.圖7

9、高通濾波multisim仿真電路圖圖8 高通濾波multisim仿真幅度波形圖v圖9 高通濾波multisim仿真幅度相位圖(2)由于容抗1/SC與信號頻率f成反比,高頻段時容抗很小,電容串聯(lián)時將給高頻信號提供暢通之路,反之低頻時容抗很大, 電容串聯(lián)時將使低頻信號得到衰減和抑制。R2 R5、C2 C5和U1A 、U1B 構成四階低通濾波器, 由于自發(fā)腦電信號的頻率主要都在50Hz以下,為此設計其截止頻率為:其相應的測量電路圖如圖10所示圖10 低通濾波電路圖其相應的multisim仿真電路圖,波形圖如下圖11、12、13所示。 圖11 低通濾波multisim仿真電路圖圖12 低通濾波mult

10、isim仿真幅度波形圖圖9 低通濾波multisim仿真幅度相位圖4.3 50HZ工頻陷波陷波器是利用壓電效應制成的帶阻濾波器,它的作用是阻止或濾掉信號中干擾成分在腦電信號的采集過程中,存在50Hz的工頻干擾,雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制能力, 但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進入電路的,對腦電信號造成嚴重的干擾, 必須加以濾除。消除工頻干擾的方法是使用帶阻濾波器, 它能夠使在規(guī)定的頻帶內(nèi),信號不能通過(或受到很大衰減或抑制) ,而在其余頻率范圍, 信號則能順利通過。帶阻濾波器又稱陷波器.利用雙T網(wǎng)絡和運算放大器構成的有源雙T帶阻濾波電路,是作為抑制腦電信號測量中的工頻干擾而經(jīng)常

11、采用的陷波電路結(jié)構。圖4為本系統(tǒng)采用的有源雙T網(wǎng)絡陷波電路。在圖4所示的50Hz陷波電路中,陷波器的中心頻率為:f =1/(2R1*C1)陷波器參數(shù)的確定一方面通過計算, 另一方面還要通過實驗檢測其濾波效果。本設計中R1 =R2 = 2R3 = R, C1 = C2 = C3 /2 ,根據(jù)上式算得f為50。 2Hz, 實際測得陷波器的中心頻率為50。4Hz,滿足設計要求.陷波器的品質(zhì)因素Q, 決定濾波器的選擇性,高Q對應較窄的阻帶而低Q對應較寬的阻帶。Q值的計算公式為:Q =1/(4*(1F)),式中F為電路反饋系數(shù): F =R5/(R4+R5)選取R1 = 261K , R2 = 54. 9

12、K ,計算可得F = 0. 8, Q = 1。 25.這種陷波器電路能有效地濾除50Hz工頻產(chǎn)生的干擾, 而且Q 值的提高保證了有用信號不被衰減.R4 = (1 F) R, R5 = FRF值取值影響陷波電路的頻帶寬度.F 值越大,頻率選擇性越好。但是F值太高,濾波器的性能不穩(wěn)定, 當元器件受溫度等環(huán)境影響參數(shù)發(fā)生變化時,會使陷波點發(fā)生移動, 工頻干擾就得不到有效的抑制。通常F取0. 8左右。此外雙T網(wǎng)絡中,兩支路的R, C的對稱程度決定陷波點的衰減能達到的最低限度。只有保持R 和C的嚴格對稱關系,才能使對應于工頻的信號互相抵消, 衰減到零。對于0 = 50Hz, F = 0。 82,取C =

13、 10nF,則R = 316K。其相應電路圖如下圖13所示圖13 50Hz工頻陷波電路圖其相應的multisim仿真電路圖和波形圖如圖14、15所示圖14 50Hz工頻陷波multisim仿真電路 圖15 50Hz工頻陷波multisim仿真相位圖圖15 50Hz工頻陷波multisim仿真相位圖4、后級放大采用反相放大器進行后級放大。前端加有電容,隔直用。放大器正輸入端接有平衡電阻,減少直流偏置.電路圖如下圖增益A2=R2/R1=20;參數(shù)選擇:取R1=220K,R2=4。7M,平衡電阻為R3=R1/R2=210K;C1=2.2F。其相應的multisim仿真電路如下圖16,17所示 圖16

14、 后級放大電路multisim仿真圖 圖17 后級放大電路multisim仿真波形圖由前置放大和此級放大聯(lián)合起來選用不同參數(shù)即可將采集到的信號放大的500倍以上。5 課程設計總結(jié)通過這周的課程設計,使我更進一步的了解了測控原理的相關知識,加深了對腦電方面知識的了解,初步達到了設計目的和要求,同時掌握的multisim仿真軟件的基本應用,提升了自己的實際實踐能力。明白了設計一個關于腦電采集系統(tǒng)應從哪幾方面入手。此外也加強了我搜集資料和整理資料的能力,提高了自己動手分析問題、解決問題的能力。這些都對我以后的工作進行了即時的訓練。并且在設計中遇到了許多問題,在對這些問題的解決上,也是對我個人能力的煅煉。而且這些問題的出現(xiàn)很有價值,是值得重視的,需要在我以后的學習中不斷的加以完善和提高。但總的來說,通過這次的設計實驗,進一步地增強了我的實際動手能力使我的理論與實踐能力相結(jié)合,從而在整體上提高了自身的學習能力和理論素養(yǎng)。 腦電信號作為一種重要的生物電信號,在進行大腦疾病診斷的過程中需要對其進行記錄,以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù),因此腦電信號采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義。本設計通過前置放大、高通、低通濾波器和50 Hz工頻陷波器的合理設計與仿真實現(xiàn),克服了腦電信號提取中常遇到的一些困難,為腦電信號處理及特征提取提供一定的理論參考和分析。6 參考文獻 1 譚郁玲。 臨床腦電

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