CN105640550A - 一种基于ina128的脑电采集前端设计 - Google Patents
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Abstract
一种基于INA128的脑电采集前端设计,采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大,同时为了消除干扰,使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路,而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端***不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来,并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学与计算机科学的交叉领域,具体而言,涉及一种对脑电信号进行采集的设计。
背景技术
由于脑电信号的一些特点,脑电信号采集***需满足以下几个要求:
(1)高增益:脑电信号微弱,头皮接触式电极采集的脑电信号正常幅度在0.5μV到100μV左右,所以***对脑电信号放大增益通常要求在5000倍以上;
(2)滤除高频干扰:脑电信号频率通常在0.1Hz到100Hz,需滤除高频干扰;
(3)放大器需有高共模抑制比:脑电信号提取过程中,毫伏级的共模干扰普遍存在,如工频干扰等,所以要求***有较高的共模抑制比;
(4)前置部分需有高输入阻抗:头皮与颅骨间电阻高达几千欧,为提高信号获取能力,输入阻抗应大于10MΩ;
(5)需考虑极化电压及生理干扰:人体自身生理活动会对脑电信号的有用频带有所覆盖,且波幅较大,如心电、眼电和肌电等,使得纯净脑电信号获取较难,此外,电极极化电压的存在使设计中前置放大器增益不能过大;
(6)生物电极应安全无害,结构稳定,工作可靠。
传统脑电采集***通过复杂的放大滤波电路设计,以满足脑电信号采集的要求,但是这样会导致电路板体积过大、功耗高、不利于设计采集***的便携化。为了实现脑电采集***的小型化,人们常采用针对特殊应用和特殊设计来简化脑电信号调理电路。
发明内容
该发明是一款便携式脑电采集前端,采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大,同时为了消除干扰,使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路,而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端***不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来,并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
穿戴式脑电采集前端的总体结构:由干电极、滤波模块、一级放大、和二级放大模块组成。
1.滤波模块
针对脑电信号十分微弱的特点,传统采集前端通常由模拟混抗滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比,这也是导致其体积大不利于实现可穿戴的主要原因。INA128为差分输入,其共模抑制比高达120dB,且其直流输入阻抗高达1000M?,能够很好地保证***的抗干扰要求。
由于脑电信号频率只有0.5~100Hz,实验分析的有效范围一般在0.5~30Hz,在模数转换前必须经过低通抗混滤波的预处理。该电路由二阶无源RC低通滤波和限幅电路组成。该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果,通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。限幅电路则是由两个二极管组成,其单向导通特性可以将电压幅值钳制在预定范围内。
2.一级放大模块
该***中模拟前端放大模块是保障***整体性能的关键,其中采用TI公司的INA128为核心器件,主要考虑其有如下特性:
(1)高共模抑制比,可高达120dB;
(2)高输入阻抗,可达1010Ω;
(3)较小温漂,0.5μV/℃;
(4)较小偏置电流,不超过5nA;
(5)较小失调电压,不超过50μV;
这些特性保证了加入很少的器件即可搭建脑电信号模拟前端。
INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。它们通用的3运放(3-opamp)设计和体积小巧使其应用范围广泛反馈电流Current-feedback输入电路即使在高增益条件下(G=100时200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择INA128提供工业标准的增益等式。INA128用激光进行修正微调具有非常低的偏置电压(50mV)温度漂移0.5μV/°C和高共模抑制在G=100时120dB其电源电压低至±2.25V且静态电流只有700uA是电池供电***的理想选择内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。
3.二级放大模块
应用AD620进行二级放大。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至1000。此外,AD620采用8引脚SOIC和DIP封装,尺寸小于分立式设计,并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA),因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。
AD620具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/°C)特性,是电子秤和传感器接口等精密数据采集***的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性,使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。
由于其输入级采用Superβeta处理,因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声,在0.1Hz至10Hz频带内的噪声峰峰值为0.28μV,输入电流噪声为0.1pA/√Hz,因而作为前置放大器使用效果很好。同时,AD620的0.01%建立时间为15μs,非常适合多路复用应用;而且成本很低,足以实现每通道一个仪表放大器的设计。
AD620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3~±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),因而适用于低电压、低功耗的应用场合。
AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。
一款可穿戴式脑电采集前端,采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大,同时为了消除干扰,使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路,而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端***不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来,并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
附图说明
图1为穿戴式脑电采集***功能框图。
图2为信号预处理电路。
图3为INA128应用电路图。
图4为AD620应用电路。
图5为最终电路。
具体实施方法
首先该设计由干电极、滤波模块、一级放大、和二级放大模块组成。脑电信号由干电极接收,然后经过无源滤波模块进行滤波,取出0.5至100hz的信号。然后经过一级放大控制1,8脚所接电阻的大小来控制增益,在经过二级放大使得信号可以被处理,完成脑电信号的采集。
Claims (4)
1.一种基于INA128的脑电采集前端设计,其特征在于:一种基于INA128的脑电采集前端设计,使用幅滤波预处理电路,采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大,同时为了消除干扰,在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路,同时利用AD620进行2次放大,使采集的信号可被识别。
2.根据权利要求1所述的限幅滤波预处理电路,其特征在于:设计二阶无源RC低通滤波和限幅电路,该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果,通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。限幅电路则是由两个二极管及电阻电容组成,其单向导通特性可以将电压幅值钳制在预定范围内。
3.根据权利要求1所述的一级放大装置,其特征在于:由于脑电信号微弱,头皮接触式电极采集的脑电信号正常幅度在0.5μV到100μV,且脑电信号提取过程中,毫伏级的共模干扰普遍存在,所以要求***有较高的共模抑制比;头皮与颅骨间电阻高达几千欧,为提高信号获取能力,输入阻抗应大于10MΩ;为了解决这些问题,;使用INA128为核心器件,由于其高共模抑制比,可高达120dB,高输入阻抗,可达1010Ω较小温漂,0.5μV/℃,较小偏置电流,不超过5nA,较小失调电压,不超过50μV;故使用其来做一级放大。
4.根据权利要求1所述的二级放大,其特征在于:由于脑电信号在0.5μV到100μV,需要的增益在5000倍以上,故需要二级放大,AD620是低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至1000;此外,AD620采用8引脚SOIC和DIP封装,尺寸小于分立式设计,并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA),因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用;故采用其进行二级放大。
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