基于multisim的脑电采集系统的设计与仿真

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1、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：13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………………………………………………54.1前置放大电路…………………………………………54.2高通低通滤波电路………………………………84.350Hz工频陷波………………………………………104.4电平二级放大电路………………………………125课程设计总结……………………………………………………1

2、36参考文献………………………………………………………………14131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5~200µV（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

3、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δ(0.5～3.5Hz),θ波(4～7Hz),α波(8～13Hz),β波(18～30Hz),γ波(31Hz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

4、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：500~1000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

5、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)13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30Hz～300Hz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

6、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

7、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13图2ICL7650内部构造ICL7650是Intersil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