一種基于ina128的腦電采集前端設(shè)計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)與計算機科學(xué)的交叉領(lǐng)域，具體而言，涉及一種對腦電信號進行采集的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]由于腦電信號的一些特點，腦電信號采集系統(tǒng)需滿足以下幾個要求:
(1)高增益:腦電信號微弱，頭皮接觸式電極采集的腦電信號正常幅度在0.5μν到ΙΟΟμν左右，所以系統(tǒng)對腦電信號放大增益通常要求在5000倍以上；
(2)濾除高頻干擾:腦電信號頻率通常在0.1 Hz到100 Ηζ，需濾除高頻干擾；
(3)放大器需有高共模抑制比:腦電信號提取過程中，毫伏級的共模干擾普遍存在，如工頻干擾等，所以要求系統(tǒng)有較高的共模抑制比；
(4)前置部分需有高輸入阻抗:頭皮與顱骨間電阻高達幾千歐，為提高信號獲取能力，輸入阻抗應(yīng)大于1M Ω ；
(5)需考慮極化電壓及生理干擾:人體自身生理活動會對腦電信號的有用頻帶有所覆蓋，且波幅較大，如心電、眼電和肌電等，使得純凈腦電信號獲取較難，此外，電極極化電壓的存在使設(shè)計中前置放大器增益不能過大；
(6)生物電極應(yīng)安全無害，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠。
[0003]傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)通過復(fù)雜的放大濾波電路設(shè)計，以滿足腦電信號采集的要求，但是這樣會導(dǎo)致電路板體積過大、功耗高、不利于設(shè)計采集系統(tǒng)的便攜化。為了實現(xiàn)腦電采集系統(tǒng)的小型化，人們常采用針對特殊應(yīng)用和特殊設(shè)計來簡化腦電信號調(diào)理電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]該發(fā)明是一款便攜式腦電采集前端，采用ΙΝΑ128內(nèi)部集成的放大器實現(xiàn)微弱信號的放大，同時為了消除干擾，使用限幅濾波預(yù)處理電路。在前端設(shè)計的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路，而基線漂移、陷波等處理根據(jù)應(yīng)用需要在數(shù)字側(cè)實現(xiàn)。本項目設(shè)計的腦電采集前端系統(tǒng)不僅能較好的把微弱的腦電信號提取出來，并且具有較好的抗干擾能力和實用價值。
[0005]穿戴式腦電采集前端的總體結(jié)構(gòu):由干電極、濾波模塊、一級放大、和二級放大模塊組成。
[0006]1.濾波模塊
針對腦電信號十分微弱的特點，傳統(tǒng)采集前端通常由模擬混抗濾波器、多級放大電路和陷波電路等來提高信號的信噪比，這也是導(dǎo)致其體積大不利于實現(xiàn)可穿戴的主要原因。ΙΝΑ128為差分輸入，其共模抑制比高達120dB，且其直流輸入阻抗高達1000M Ω，能夠很好地保證系統(tǒng)的抗干擾要求。
[0007]由于腦電信號頻率只有0.5?10Hz，實驗分析的有效范圍一般在0.5?30Hz，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前必須經(jīng)過低通抗混濾波的預(yù)處理。該電路由二階無源RC低通濾波和限幅電路組成。該二階無源RC低通濾波器具有較好抗頻率混疊效果，通過過采樣技術(shù)可以使該濾波器滿足性能要求。限幅電路則是由兩個二極管組成，其單向?qū)ㄌ匦钥梢詫㈦妷悍点Q制在預(yù)定范圍內(nèi)。
[0008]2.—級放大模塊
該系統(tǒng)中模擬前端放大模塊是保障系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵，其中采用TI公司的INA128為核心器件，主要考慮其有如下特性:
(1)尚共t旲抑制比，可尚達120dB；
(2)尚輸入阻抗，可達1010Ω ；
(3)較小溫漂，0.54￥/°〇；
(4)較小偏置電流，不超過5nA;
(5)較小失調(diào)電壓，不超過50μν；
這些特性保證了加入很少的器件即可搭建腦電信號模擬前端。
[0009]ΙΝΑ128是低功耗高精度的通用儀表放大器。它們通用的3運放(3-op amp)設(shè)計和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛反饋電流Current-feedback輸入電路即使在高增益條件下(G=100時200kHz)也可提供較寬的帶寬。單個外部電阻可實現(xiàn)從I至10000的任一增益選擇INA128提供工業(yè)標準的增益等式。INA128用激光進行修正微調(diào)具有非常低的偏置電壓(50mV)溫度漂移0.5μν/°C和高共模抑制在G=10時120dB其電源電壓低至土2.25V且靜態(tài)電流只有700uA是電池供電系統(tǒng)的理想選擇內(nèi)部輸入保護能經(jīng)受±40V電壓而無損壞。
[0010]3.二級放大模塊
應(yīng)用AD620進行二級放大。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為I至1000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠程)應(yīng)用。
[0011]AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 μν)和低失調(diào)漂移(最大0.6 yV/°C)特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。
[0012]由于其輸入級采用Superfeta處理，因此可以實現(xiàn)最大1.0nA的低輸入偏置電流。AD620在I kHz時具有9 nVATHz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲峰峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1 pA/入Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，AD620的0.01%建立時間為15ys，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計。
[0013]AD620由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計，如電源范圍寬(±2.3?±18 V )，設(shè)計體積小，功耗非常低(最大供電電流僅1.3 mA )，因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。
[0014]AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。
[0015]—款可穿戴式腦電采集前端，采用INA128內(nèi)部集成的放大器實現(xiàn)微弱信號的放大，同時為了消除干擾，使用限幅濾波預(yù)處理電路。在前端設(shè)計的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路，而基線漂移、陷波等處理根據(jù)應(yīng)用需要在數(shù)字側(cè)實現(xiàn)。本項目設(shè)計的腦電采集前端系統(tǒng)不僅能較好的把微弱的腦電信號提取出來，并且具有較好的抗干擾能力和實用價值。
【附圖說明】
[0016]圖1為穿戴式腦電采集系統(tǒng)功能框圖。
[0017]圖2為信號預(yù)處理電路。
[0018]圖3為INA128應(yīng)用電路圖。
[0019]圖4為AD620應(yīng)用電路。
[0020]圖5為最終電路。
[0021 ]具體實施方法
首先該設(shè)計由干電極、濾波模塊、一級放大、和二級放大模塊組成。腦電信號由干電極接收，然后經(jīng)過無源濾波模塊進行濾波，取出0.5至10hz的信號。然后經(jīng)過一級放大控制I，8腳所接電阻的大小來控制增益，在經(jīng)過二級放大使得信號可以被處理，完成腦電信號的采集。
【主權(quán)項】
1.一種基于INA128的腦電采集前端設(shè)計，其特征在于:一種基于INA128的腦電采集前端設(shè)計，使用幅濾波預(yù)處理電路，采用INA128內(nèi)部集成的放大器實現(xiàn)微弱信號的放大，同時為了消除干擾，在前端設(shè)計的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路，同時利用AD620進行2次放大，使采集的信號可被識別。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限幅濾波預(yù)處理電路，其特征在于:設(shè)計二階無源RC低通濾波和限幅電路，該二階無源RC低通濾波器具有較好抗頻率混疊效果，通過過采樣技術(shù)可以使該濾波器滿足性能要求。限幅電路則是由兩個二極管及電阻電容組成，其單向?qū)ㄌ匦钥梢詫㈦妷悍点Q制在預(yù)定范圍內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一級放大裝置，其特征在于:由于腦電信號微弱，頭皮接觸式電極采集的腦電信號正常幅度在0.5μν到ΙΟΟμν，且腦電信號提取過程中，毫伏級的共模干擾普遍存在，所以要求系統(tǒng)有較高的共模抑制比；頭皮與顱骨間電阻高達幾千歐，為提高信號獲取能力，輸入阻抗應(yīng)大于10ΜΩ ;為了解決這些問題，；使用ΙΝΑ128為核心器件，由于其高共模抑制比，可高達12O dB，高輸入阻抗，可達11 Ω較小溫漂，0.5μν/ °C，較小偏置電流，不超過5nA，較小失調(diào)電壓，不超過50μν;故使用其來做一級放大。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二級放大，其特征在于:由于腦電信號在0.5μν到ΙΟΟμν，需要的增益在5000倍以上，故需要二級放大，AD620是低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為I至1000 ；此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠程)應(yīng)用;故采用其進行二級放大。
【專利摘要】一種基于INA128的腦電采集前端設(shè)計，采用INA128內(nèi)部集成的放大器實現(xiàn)微弱信號的放大，同時為了消除干擾，使用限幅濾波預(yù)處理電路。在前端設(shè)計的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路，而基線漂移、陷波等處理根據(jù)應(yīng)用需要在數(shù)字側(cè)實現(xiàn)。本項目設(shè)計的腦電采集前端系統(tǒng)不僅能較好的把微弱的腦電信號提取出來，并且具有較好的抗干擾能力和實用價值。
【IPC分類】A61B5/0476
【公開號】CN105640550
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】李健, 華偉, 劉文齊, 趙元豪, 郭愷
【申請人】四川大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月28日