便携式脑电放大器设计报告.pdf
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1、文档 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 1000050000 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 1100V。频率范围 0.5100Hz,皮质
2、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:(Delta 波):0.54Hz,深度睡眠状态(Theta 波):48 Hz,梦境状态(Alpha 波):813 Hz,催眠、冥想状态(Beta 波):1322 Hz,清醒或激动状态:2230 Hz 及更高频率。重点放大波和波,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文档 意识控制身边装置;其中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,波消失,转而出现快波;如果又安静闭目,则波又重新出现,这一现象称为波的阻断现象。通过观测波的阻断现象,可通过脑-机接口进
3、一步实现对装置的快速控制。三、系统概述、脑电检测的频带选择 节律 是一种规律的频率为 813 Hz,波幅 10100uV 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,节律可抑制。节律 是指频率为 1430 Hz,波幅在 520uV 之间的一种低波幅电活动,在前头部最多见。当 活动占优势时,其波幅可达 50uV。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,活动明显增多,活动波幅增高多数是
4、神经细胞兴奋增高的表现。适量的 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 813 Hz 及 1430 Hz 的有源窄带通滤波器。、干扰的抑制 1)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;2)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;3)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)4)50Hz 的工频干扰:幅度相对于脑
5、电信号来说很大,可达到 EEG 信号幅度的 13 个数量文档 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。、系统模块设计 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 10M;共模抑制比大于 80dB(即共模抑制比大于 10000:1);频带宽度 0150Hz;系统噪声小于 3V;前置放大级的电源纹波电压小于 0.5mV。1、前级放大电路 前级放大 低通滤波 后级放大 带通电路 脑电信号 显示 脑-机接口 二次放大 文档 芯片选用:选用 max4194 作为核心元件,最低工作电压为 2.7
6、V,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 Rg510,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
7、 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 CMOS 技术制造。最低工作电压为 2.4V,功耗30mW。输入电压应在比负电源高 1.5V,比正电源低 1.5V。输出电压范围(2K负载)在比负电源高 1.3V 和比正电源低 1.4V 之间。备选方案:由于 max414 输入阻抗只有 2K,跟随器设计提高输入阻抗的方法不知能不能达到设计要求。因此前级跟随器可选用放大器 LM324,输入阻抗 2M,工作电压为1.5V to 15V。采用跟随器设计,提高输入阻抗。因此前级放
8、大器共放大 100 倍。噪声分析:芯片噪声:max4194:失调电压2.0V/,G=100,f=10Hz 时噪声密度=32nV/Hz;AD623:失调电压200V/oC 失调电流2V/oC,G=1000 f=1 kHz 时输入噪声密度=35 nV/Hz,输出噪声密度=50 nV/Hz;max414:其特点是低噪声,f=KHz 时噪声密度2.4nV/Hz,增益带宽积 28MHz,单位增益稳定,压摆率 4.5V/S,失调电压250V,静态电流 2.5mA。通过计算运放噪声小于设计要求噪声,符合要求。Lm324:失调电压典型 7V/oC,失调电流典型 10V/oC,偏置电压最大 7mV,偏置电流最文
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