脑电信号调理电路设计

张学军，温　炜（南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003）



脑电信号调理电路设计

张学军，温炜
（南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003）

摘 要：提取脑电信号是进行脑电信号分析的第一步，其中关键的技术之一就是信号调理电路的设计。脑电信号是极其微弱的生物信号，对噪声极为敏感、对放大器性能要求较高。设计了预处理电路中的放大以及滤波电路，具有元器件简单、价格低廉等特点。测试结果表明，该系统具有良好的放大及滤波性能。

关键词：脑电信号；放大电路；滤波器

0　引言

生物科学尤其是脑科学的研究已经进入高速发展的时期，现阶段用于脑电信号分析的仪器设备通常是脑磁图仪或者脑电图机。而脑磁图仪因其体积庞大、价格昂贵，只能被专业机构使用。脑电图机的普及相对容易，更易被用户接受。

脑电图机的性能、价格、体积、是否易于普及等特性，在很大程度上取决于脑电信号调理电路的设计，这也是脑电图机最为关键的技术之一。

脑电信号（EEG）是极其微弱的生物信号，频率集中在0.5～100 Hz，幅值只有5～100 μV［1］。因此EEG信号极易被淹没在噪声之中。噪声包括外部噪声，如50 Hz工频干扰、环境中高压电源的噪声、人体与电流耦合的噪声等；以及内部噪声，如电极引出信号时的噪声、元器件内部的热噪声等。此外，小信号的放大也是难点之一。要将EEG信号放大至能被A/D转化器所识别的大小，整个系统至少需要达到上万倍的增益。脑电信号调理电路的主要任务就是对脑电信号进行滤噪及放大。

1　系统总体设计

系统总体设计思路是保证系统具有“三高两低”的特性，即高增益、高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移［2］。该系统电路分为放大电路、滤波电路以及电平抬升电路。由于脑电信号的特殊性质，为避免噪声影响，EEG放大无法一次到位，需分2～3级逐级放大。滤波电路用来滤除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信号，同时滤除50 Hz的工频干扰噪声［3］。调理电路总体设计框图如图1所示。

图1　系统总体设计框图

2　调理电路设计

按照总体框图中各个模块分部分阐述具体电路的设计工作。

2.1EEG输入

国际上把头皮电极定位的标准方法称为10 -12系统法。本系统采用单通道，将两片医用电极分别贴在太阳穴的两侧，第三片电极贴在耳垂处起到接地的作用。采集到的头皮信号同步送入下一级差分放大电路。

2.2放大电路

2.2.1前置放大电路

该电路是除了电极之外首先接收并处理脑电信号的模块。脑电信号只有μV级别，需要放大上万倍。但是初次放大不宜过大，此时噪声没有被滤除，它对EEG信号的影响极大，过度放大极易使噪声淹没有效信息。由此考虑，设置初级放大的增益为20，器件选取AD620。AD620能够满足放大需求，并且具有抗干扰能力、功耗低、价格便宜等特点［4］。其增益G的计算公式为：

外接电阻RG取2～3 kΩ，此时G约为20，共模抑制比约为110 dB。

2.2.2后级放大电路

经过初次放大，放大增益仍不能满足设计需求，需要第二级放大。后级放大电路设计增益大约为500倍，如式（2）所示，电路如图2所示。

其增益G的值与R1和R2有关，将R2设置为滑动变阻器即可动态调节增益。不同受试者或同一受试者处于不同状态时，其脑电信号振幅会有所差异，可适时调节。

图2　后置级放大电路

2.3滤波电路

2.3.1高通滤波电路

此电路负责滤除0.5 Hz以下的信号，采用了压控电压源二阶高通滤波器。其传递函数为：

其中，C1=C2=4.7 μF，R1=47 kΩ，Rf（R2）=30 kΩ，R3= R4=100 kΩ，得到截止频率为：

电路图以及波特图如图3所示。

2.3.2低通滤波电路

脑电信号的主要频率集中在100 Hz以内，因此可将大于100 Hz的信号直接滤除，该电路传递函数为：

其中，C1=C2=0.01 μF，R1=33 kΩ，Rf（R2）=20 kΩ，R3= R4=100 kΩ，得到截止频率为：

电路图以及波特图如图4所示。

图3　高通滤波电路图及波特图

图4　低通滤波电路图及波特图

2.3.3陷波电路

我国市电电压的频率为50 Hz，它同样会对设备造成严重的干扰，这一干扰称为工频干扰，抑制它的电路是陷波电路。通常情况下，采用的解决方案是“双T”陷波电路［5］。传递函数为：

中心频率为：

电路图以及波特图如图5所示。

图5　陷波电路图及波特图

2.4 电平抬升电路

A/D转化器能识别的标准电压大多在0～3.3 V，呈单极性。保证EEG信号负电压的部分不受损失，需要将其抬升至标准电压内。电平抬升电路如图6所示。

图6　电平抬升电路

3　系统性能测试

调理电路设计并制作完成后，对系统性能进行测试，结果如下。

3.1低通滤波电路测试

设计的截止频率为100 Hz，测试时，维持滤波器输出端的电压为10 V，改变输入信号的频率，结果如表1所示。

电压在100 Hz截止频率之后出现快速的衰减，在95 Hz的时候仍能保持较高的峰峰值。

表1　低通滤波测试

3.2陷波电路测试

测试方式与上文相同，结果如表2所示。

表2　陷波测试

3.3系统整体测试

本系统前置放大电路实际增益为19，后级放大为578，总体增益为10 982倍，达到设计需求。

4　结论

本文设计了脑电信号调理电路，完成了信号的头皮采集、放大、滤波等预处理工作，并对该调理电路的性能做了分析。总体上达到了设计目标。该电路仍有可改进的地方，如加入缓冲电路、右腿驱动电路等。

参考文献

［1］陈长伟，谷秀凤.备考江苏省计算机等级考试（二级VFP）策略［J］.经济研究导刊，2010（4）：85-86.

［2］钟文华.基于ARM的脑电信号采集系统［J］.电子设计工程，2008（2）：13 -15.

［3］谢宏，李亚男，夏斌.基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集系统前端设计［J］.电子技术应用，2014，40（3）：86-89.

［4］李永建，李舜酩，郝青青，等.微弱振动信号自适应采集系统设计［J］.现代电子技，2009，32（5）：187 -190.

［5］史骏，彭静玉.基于双T网络的50Hz陷波电路设汁［J］.科技信息，2011（21）：121-122.

张学军（1969 -），男，博士，教授，主要研究方向：脑电信号处理技术、嵌入式系统设计。

温炜（1991 -），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计。

引用格式：张学军，温炜.脑电信号调理电路设计［J］.微型机与应用，2016，35（10）：55-57.

Design of EEG signal pretreatment circuit

Zhang Xuejun，Wen Wei
（Shool of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Abstract：Extraction of EEG signal is the first step of EEG analysis，which is one of the key technologies of signal pretreatment circuit.EEG signal is extremely week bio-signals，which is extremely sensitive to noise and has higher requirements for the performance of the amplifier. This paper designs amplifier and filter circuit of pretreatment circuit which has the advantages of simple components and low cost.Test results show that the amplification and filtering system has good performance.

Key words：EEG signal；amplifier；filter

作者简介：

收稿日期：（2015-12-22）

中图分类号：TN98

文献标识码：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.019