脑电信号提取与处理电路设计(打印版)

1、 本科生毕业论文（设计）中文题目 脑电信号提取与处理电路设计 英文题目 EEG extraction and the design of processing circuit 学生姓名 刘 明 亮 班级 信息12班 学号 52101213 学 院 通信工程学院 专 业 信 息 工 程 指导教师 陈 万 忠 职称 教 授 摘 要吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出

2、重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 年 月 日摘 要 大脑作为人体最为神秘而强大的一个器官，我们能够测到的脑电信号（EEG）是由神经细胞活动产生的头皮表面电位变化，这种变化形成的生物电信号能够在一定程度上反映大脑的情况。在头部额头部位或者发根处能够获得的脑电信号幅度很小,而且生物电信号的测量会受到周围电磁因素的影响，如空间中的50 Hz工频噪声，高频电子设备散发的电磁信号，以及测量电极的极化电压都能对脑电信号造成较大的影响。所以，可以说脑电信号提取的核心问题便是怎样有效地将淹没在噪声干扰中的脑电信号剥离

3、出来。因此，本文做了如下的主要工作：1.设计了EEG信号提取过程中所需用到的前置放大电路，放大电路以差动放大电路为原型进行改进具有高输入阻抗的特点，能够有效去除同源干扰，主要用于对脑电信号进行放大处理。 2.考虑到脑电信号本身的低频低幅度特性并且极易受到外界干扰的情况，在经过前置放大电路对信号进行基本放大之后，为了避免噪声信号也被放大，再以多级放大电路并滤波的方式对信号进行处理，设计了高、低通滤波器及工频陷波器，不但能够放大主要信号并滤除高、低、工频噪声，还保证了信号的有效性。3.在电路仿真部分，本文将局部电路和整体电路都分别在Multisim12软件上进行仿真实验，Multisim12上有丰

4、富的虚拟电子设计所需的仪表和工具，使电路能够方便地改进和检测，仿真软件的应用大大方便了电路设计以及元器件选型试验，提高了设计效率。 脑电信号通过本文如上设计的电路处理,能够做到让EEG信号幅度放大，而伴随的噪声信号被滤除或明显抑制。关键词脑电信号放大器滤波器陷波器 Multisim仿真ABSTRACTABSTRACT Brain is one of the most important organs of our body , EEG is a change from the surface of our scalp which is caused by the potential chang

5、es induced neuronal activity , it is a reflection of the state of our brain . When we collect EEG through the scalp ,it is very weak , biological signals are susceptible to environmental interference , 50 Hz frequency noise is widely exist in the space , high-frequency electronic devices emit electr

6、omagnetic signals and measuring the polarization of the electrodes can cause a large voltage on EEG . So , we can say the measure of EEG core issue is how to effectively spin-off EEG from the noise . Therefore, this paper made the following main tasks: 1. We designed the preamplifier to improve the

7、characteristics of EEG which has a high input impedance , interference can be effectively removed homologous primarily for brain signal amplification process .    2 . Taking their low frequency and low EEG amplitude characteristics and vulnerable to outside interference into account ,

8、so ,after preamplifier basic amplifying the signal ,We designed multi-stage amplifier circuit and high-and low -pass filter and frequency notch filter for the signal processing , not only to amplify the signal and filter out the main high , low frequency noise, but also ensure the validity of the si

9、gnal. 3. In the circuit emulation part, our circuit simulation experiments were conducted on Multisim12 , Multisim12 has virtual instruments and tools for electronic design , the circuit can be easily improved and tested , simulation software greatly facilitate the application of circuit design and

10、component selection trials to improve the design efficiency.When EEG signal was processed by the circuit designed above , it is possible to do so that the EEG signal was amplified, while the accompanying noise signal is filtered or inhibited .KeywordsEEGlow-pass filterhigh-pass filterrap filtersimul

11、ation目录目 录 第1章 绪论11.1 本课题的研究背景和意义11.2 脑电技术发展及研究现状21.3 本文的研究内容和结构安排4第2章 脑电方面基础知识62.1 脑电信号的形成原理62.2 脑电信号的分类及特点62.3 脑电信号提取的电极连接方式72.4 实际测量安全性考量与设计92.5本章小结10第3章 EEG信号提取电路设计133.1 脑电信号提取电路的基本要求113.2 EEG信号测量电路总体设计113.3 电路中各部分的详细设计及Multisim仿真123.3.1 EEG电极选取与放置133.3.2 前置放大电路设计及仿真143.3.3 高通滤波电路的设计和仿真203.3.4 E

12、EG50Hz工频干扰的去除213.3.5 低通滤波器设计和仿真263.3.6 后级放大电路293.3.7 脑电信号提取电路整体仿真实验30 3.4本章小结36第4章 总结与展望374.1 本文工作总结374.2 未来研究工作的展望37致谢39参考文献40附录.43第1章 绪论第1章 绪论1.1 本课题的研究背景和意义近些年来各方面工农业生产技术水平的提高，使得人们不再只是着眼于基本的物质生活需求，而对于自身的生活质量以及家人的身体健康问题投入更多的关心。在人体健康方面，作为整个人体的行动指挥部大脑健康也自然成为人们健康检查项目中不可缺少的一个项目。但是，作为人体最为神秘而又复杂的神经中枢器官，

13、以及其处于头部重要部位且全封闭的特殊性，我们不能直接观测或监控并分析大脑的活动状况，这就要依靠一定的科学技术和电子检测手段。计算机电子仿真技术以及电子制造工艺水平的突飞猛进作为科学技术飞速发展中的一个典型推动力，使人类监测并分析大脑活动状态的期望变为现实。通过长期对于大脑活动时大脑皮层部位状况的研究，人们发现有一种自发的电活动十分高频率地出现于人类的大脑皮层中，经过长期的试验研究和理论总结，人们又发现正是这种时常存在于大脑皮层中的电活动控制着人体的各种生理机能。这种电活动就是我们现在所说的脑电信号，脑电信号是随时间变化而不断变化的一种生物电位变化信号，用特制的电极置于头部可以将脑电信号进行获取

14、，脑电图就是把上一步骤采集到的信号记录下来形成的信号波图（也被简称为EEG） 张振中. 基于 ICA 方法的脑电信号消噪及特征提取的研究 DD. 西北工业大学, 2007.。脑电活动是大脑生理功能的基础，而脑电图记录下的脑电信号波图便能够很反映人类大脑自发的电位活动，进而可以由此推断并分析大脑的生理健康状况。这种记录人脑自发电位变化的方式和手段在临床医学的诊断上具有十分重大的意义，因为使用检测人脑电信号的方式就可以很方便的对人体的大脑以及神经系统可能患上的疾病进行及时的检查诊断和治疗。因此，人类脑电信号的研究对于今后的脑控科技进步方面是急需的，也是对于EEG应用拓展这一新技术领域的探索。除了在

15、身体健康检查方面，脑电信号有着十分重要的作用，在未来的科学技术发展上面，它也是具有非常深远的潜力的，脑电信号中包含着大脑发出的各种指令信息，可以说是大脑思维的一种反应，对脑电信号进行精密地检测获取，进行详细地算法分析是有可能从中破译出人类思维意图的，世界各国的相关研究所也正此方向上做着不懈的努力。脑机接口技术的发现对于众多残障人士来说是一个希望和福音，因为随着仿生技术的发展，人造已经基本可以完成人类原有肢体可完成的基本动作，但是假肢的智能化和可操控性并不十分理想 。有了脑机接口技术，人们就可以通过“大脑想一想”的方式，透过脑电波发送操控命令来控制机械肢体的动作，这使得肢体障碍的人们能够更加方便

16、地工作和生活。推而广之，以脑电信号为基础的脑机接口技术，还可以有非常广泛的应用和发展，比如其非侵入式头戴式脑电控制设备的诞生，可以使人们的生活更加智能化；接入互联网，将设备检测到的大脑健康信息传送到医院，即使不亲身前往，也能做健康检查，做到对自己的健康状况了如指掌；也可以应用到电子游戏领域，以及电影特技特效制作方面，将其优点与脑电可操控性移植到游戏内，也能大幅度增强人们在游戏中的趣味性。这些方向都有着十分光明的前景，所以，当下对于脑电信号的研究是十分迫切和必要的。1.2 脑电技术发展及研究现状掀开大脑功能或者工作原理的神秘面纱，是人们多年来的期盼和宏愿，这不仅是因为人类迫切想要探寻我们自己身体

17、活动所蕴含的本质和深层原理，则可能实现有目的地、有计划地、有方法地慢慢提高或者改善我们控制自身思想活动或智力活动的能力，并且进一步了还能深入了解到人类智能的根本，这对于目前人工智能领域的研究发展也有极大的推动作用。在十八世纪九十年代年加瓦尼发现了肌肉运动时会产生电活动的现象，这也是人类历史上第一次发现生物电现象；随后的十九世纪七十年代中期年，英国的一位科学家卡顿发现一个现象，他发现在动物的大脑进行活动的时候也能检测到电信号的存在，并将这种记录了下来；20世纪20年代末，又一位英国科学家汉斯伯格首先发表了对人类的脑电波的实验分析报告，但却因为当时的电子制造刚刚起步，制造的产品也比较简陋，伯格先生

18、当年使用的放大器也谈不上精准，所以还是有相当一部分的读者在读过他的脑电波研究报告以后持怀疑态度的 赵海滨. 脑机接口的特征提取和分类方法研究D. 东北大学, 2009.，而后又经过了五年，当时的科学家艾德里安和马修斯确经过反复的实验论证终于验证了汉斯伯格的研究报告，从此脑电图波存在的科学性终于得到了世界学术界的公认。 经过短暂两年时间的发展，自二十世纪四十年代往后，脑电图这一新兴学科如雨后春笋般在大范围的传播和发展，尤其是在医学方面的研究卓有成效。伴随着电子产业技术的工艺不断提高，脑电仪器所使用到的基本元器件的性能和精度得到很大提高，元器件的大小却能降低，也使得脑电设备的大小不断降低甚至达到可

19、随身携带的都是可以实现的。1、 EEG的提取方式和标准多种多样，不利于世界各国间的学术交流，因此，人们制定了一套记录EEG的国际标准1020系统用来安放电极，对于EEG的研究逐渐深入，技术也不断提高，人们也开始发现寻常的16导脑电图所能提供的信息量无法满足目的需要，因此脑电图仪再次升级，32导、64导、128导、256导的脑电仪器设备不断涌出，记录脑电的方式也由普通的纸笔记录升级为数字记录，计算机分析技术也被同步应用到对于EEG的研究当中 王三强, 何为, 石坚. 新型脑电信号前置级放大电路设计J. 重庆大学学报: 自然科学版, 2006, 29(6): 51-53.。在EEG的研究上，美国等

20、一些发达国家，目前走在该项技术的世界前列，他们的设备精度高,算法成熟高效，已经有较多一部分研究已经走出实验室，服务于一些普通人的生活。脑电以及无线遥测脑电技术在19601970年代就已经被开发主来应用于航空航天领域，其民用级别产品也在九十年代后期发展起来1。此方面较为突出的研究代表应是20世纪70年代在美国的Jacques等人做的关于脑电信号驱动的较为简易的通信系统，达到了实现直接通过人脑来控制电脑鼠标做二维平面运动的功能，这是脑电信号的应用型研究取得飞速发展的一个具体表现。随着技术不断发展，关于BCI的研究在世界各国掀起一阵狂潮，大家纷纷投入到这个新兴项目的研究当中，所以在这一时期，BCI的

21、研究水平和规模都有了较为迅速的提高，从上世纪九十年代中期开始低于六个研究小组，短短五年左右就已经发展成超过了二十个。而如今，世界各国专门从事脑电EEG领域的研究小组数量已经突破了百位。经过人们不懈的钻研探索，各种应用脑电信号为主要条件制造的新产品新系统层出不穷。而这些系统的原理，都是通过使用从头部皮层采集的脑电信号或者大脑皮层的神经电信号经过放大并通过A/D转换接入计算机来，以此作为行为命令，指挥电脑鼠标运动，选择文字和图片，并且还可以用来控制神经装置或者操控飞行模拟机等。在我国，自从上个世纪八十年代末期，我们才开始自行研制并顺利地把计算机分析技术应用于EEG的研究当中，就是把EEG信号通过前

22、置放大器采集，再进行滤波处理最后经过A/D数模转换器转变成数字信号，经过数字化处理之后的信号便能够被计算机识别，从而利用计算机分析技术对信号加以处理。九十年代初期，我国市场上便开始出现一些级计算机为主体，加上前置信号放大器的数字化EEG处理仪器，类似于这样的组合也是当前的EEG设备的主要特点。不过，当时生产的前置放大器比较粗糙功能也比较简单，无法替代纯硬件的脑电图仪。经过近二十年的发展，现在的电子制造工艺飞速提高，前置放大器的性能大幅提升，功能也越来越丰富。以此为基础，越来越多的不同型号的数字化脑电图仪器在市场上涌现出来，较为具有代表性的公司有：北京的新拓公司、上海诺诚电气有限公司、太阳公司等

23、的数字化EEG检测设备。新的产品传承了曾经EEG图仪的一般功能，并在此基础上顺应计算机科学的进步并加以利用，用计算机代替人力的方式处理信号，从而大大提高了对于EEG信号的处理效率。1.3 本文的研究内容和结构安排 一般而言，脑电信号的幅度只在微伏级，约2100V，频率也很低，主要信号只在0.545Hz范围 刘芳, 张臻. 基于脑电信号识别采集的假肢控制系统J. 现代生物医学进展, 2007, 6(12): 143-145.,由于脑电采集系统的硬件自身因素和外界条件影响，测得的脑电信号会受到内外因素的很大干扰。比如电子测量当中普遍存在的强烈的工频干扰，还有在对脑电信号进行放大的时候，测量电极产生

24、的极化电压以及其他高频干扰信号也会随之被放大 郭瑶. 脑电信号采集与处理系统设计 DD. 电子科技大学, 2007.。本文的主要任务就是针对这些干扰信号设计相应的解决方案，设计一个脑电信号提取电路以减少噪声及其他干扰对于主体EEG信号的干扰，并对采集到的信号进行放大，能够在示波器上进行观察其变化。本文设计的脑电信号提取电路，主要由下面的部分构成：后级放大电路EEG采集电极前置放大电路高通滤波器50Hz陷波器低通滤波器图1-1 电路设计框架图（1） 查阅前人资料，根据大脑脑电信号测量的需求，选取合适的电极以及导联方法；（2） 设计并选取合适的放大器，组成前置级放大电路并对放大电路的放大性能进行M

25、ultisim软件仿真，并验查放大参数；（3） 设计了高低通滤波器，用以滤除采集脑电信号时混入的高频噪声干扰和低频直流分量，进行Multisim软件仿真，验证滤波器的参数性能；（4） 设计了50Hz工频陷波器，用以去除测量电路中不可避免地混入的工频噪声干扰 刘宝华. 心音信号远程传输和分析系统的研究D. 重庆大学, 2006.，然后对工频陷波器进行电路仿真，确定其参数性能达到设计需求；（5） 设计后级放大电路，对前面采集并预处理过的脑电信号进行再次放大，以达到能被示波器识别到的程度；（6） 将设计的每一部分电路进行连接，模拟一个初始的与脑电信号相近幅度和频率的信号接入电路，检测电路整体的功能，

26、验证其整体功能。 论文章节内容安排如下所示：第1章 绪论，主要介绍一下论文的研究背景和研究意义，以及脑电信号的发展和国内外的研究现状，并简略阐述了一下毕设的主要设计任务。第2章 主要研究了脑点信号的产生原理极其特点，并对几个典型的脑电信号进行频率和幅度的比较分析，以及在不同状态下产生的脑电信号与状态的联系。第3章 主要介绍了脑电信号提取电路的设计要求，以及各个元器件的选择及在Multisim软件中的仿真分析。第4章 对论文做了一个总结，并对后续工作以及研究远景进行展望。第 4 页第2章 脑电方面基础知识第2章 脑电方面基础知识2.1 脑电信号的形成原理大脑是人体的神经中枢，它处理信息的能力超级

27、强大，但却离不开组成它的一个个神经细胞的辛勤工作，神经细胞也就是神经元 丁宝玺. 脑电图数据相关性分析的研究D. 大连交通大学, 2008.。神经元是比较特异的细胞，它的外形不同于一般的组织细胞，有着很长的胞体凸起以及含包着核信息的细胞胞体。神经元的胞体能够生出大量树枝状突起，这些树状突起还能够继续向下级分散并细化，在每个突起的末端分支上还会有更小的尖细突起，这便是与其他神经元进行有机连接的连接点。从功能意义上来看，树突是神经信息的受体，信息经过胞体综合然后传向下一级 丁雷. 白鼠脑电信号远控采集处理系统的设计与研究D. 山东科技大学, 2010.。脑中的电场应当达到一定强度才可以在头部测量出

28、，这就使得EEG的形成应当满足两个条件：（1）数量众多的居于大脑表面的神经元按照一定的规律排列在一起形成了大脑皮层，从大脑皮层记录到的电位是众多神经元活动所形成的电场总和，所以有众多神经元同时兴奋或者同时抑制的结果才可以形成节律性的脑电信号，随着同步化程度的增高脑电信号幅度也会随之增高，否则会减小，二者成正相关关系；（2）每个神经元的朝向位置应该基本朝着同一方向，这样是为了保障神经冲动的传导方向也能保持一致，使得产生的电场不会因为相互作用而偏移，否则将无法形成足够强电场强度 侯秉文. 运动想象脑机接口的特征提取与模式分类研究D. 西安电子科技大学, 2012.。 2.2 脑电信号的分类及特点测

29、量电极在头部表皮测得的电位变化被称为脑电信号，而使用侵入式的电极（即通过手术方式将头骨开口，伸入电极置于大脑皮层），电极在头骨内能够测得的大脑皮层表面的电位变化，我们将这种方式测量得到的信号叫做皮层脑电，从原理分析上可以看出，头皮脑电信号就是大脑皮层脑电经过头部组织形成的滤波器进行低通滤波后的脑电信号。对于脑电波的形成原理，流传着各种不同的说法，有一种较为普遍的观点认为，仅仅改变某一个细胞的位于突触后面的电位，是不会影响到皮层表面的电位的 付春梅. 基于聚类分析法的脑电图数据分析的研究D. 大连交通大学, 2008.。又经过了较为深入的研究和经验总结，人们开始发现了一个新的现象，那就是脑电波的

30、形成不仅仅与大脑皮层的电位活动相关，还与大脑更为深层的部位的活动有着十分紧密的联系。根据脑电波的不同特点和出现情况，下面用表格1（见附录）来介绍以下常见的一些脑电信号及其波形特征：图2-1 几个典型脑电信号波形图2.3 脑电信号提取的电极连接方式 根据测量脑电信号的电极贴放方式的不同，EEG图谱也有几种不同的分类 郑效来. 癫痫脑电信号特征识别与提取的研究 DD. 大连理工大学, 2005.，它们分别是头皮EEG、深部EEG和皮层EEG等。但是因为皮层EEG、深部EEG都是要以手术的方式打开头骨或者在头骨处钻孔，然后把测量电极探入头颅内才能测量到脑电信号的，一种侵入式的对人体会造成损伤的测量方

31、式，因为这样的原因也被一般的患者和家属所担心，所以一般医院在对病患进行常规EEG检查的时候，都会采用EEG头皮外检测的检查方法。我们常说的头皮EEG其实就是是在我们的大脑内部时刻进行着的神经元活动所会释放的电信号引起，这些电信号总体产生的总电场然后再经过头部人体组织传导后在头皮上形成的整体电位。EEG信号的提取通常是使用特制的生物电信号传感器置在头皮上，然后从头上进行直接测量。因为脑电信号的信号幅度十分微小，只有一伏的百万分之一大小，为了完成对脑电信号的特性分析、通过一定的方式把它的特点记录下来、再通过一定的方法把它再次还原呈现，第一步就应该将从人体头皮提取的微弱的原始生物电信号通过放大器扩大

32、到一定的强度，这样才能达到A/D转换器的幅值识别范围，可以把原始的模拟型脑电信号转化为数字信号，转换成数字信号以后就能使用计算机设备进行分析和处理，又因为脑电信号的采集不能始终在屏蔽室里进行，这就会不可避免的受到来自外部环境的一些干扰，故而需要对EEG信号的放大装置进行一些特殊设计来应对这样的情况，较为常用的做法是使用差分输入的的放大器来进行放大，因为人体脑电信号测量时有较高的内阻，所以这种放大器还要具有很高的输入阻抗以及低噪声的特点3，后续部分可采用高低通滤波、陷波去除工频干扰等方法提高电路的共模抑制比的等方法以提取较为理想保真度较高的脑电信号。从连接方式上进行分类，脑电图机的导联方式可以有

33、以下两种分类方法：【1】单极导联法 就是把主要测量脑电信号的测量电极放在头部测量点上，然后通过带有屏蔽层的导线连接到前置放大器的输入口上 李伟. 物理因子对睡眠剥夺者脑电影响的初步研究D. 第四军医大学, 2009.；同时把无关电极（无关电极的链接可以用一个小夹子，方便固定且不易脱落）置于耳垂，再通过带有屏蔽层的导线接入放大器的另一端。其基本连接方式如图2-2所示图2-2 单极导联基本连接图【2】双极导联法就是不使用连接耳垂或鼻尖等其他无明显生物脑电信号反应的部位作参考电极，而是将同一放大系统的两个输入端都连接到头皮上的较为接近的点作测量点的方法。这种连接方法使得信号经过放大器以后两端信号作差

34、，得到的结果的是两个电极部位测量点间EEG信号差异，也就是说若两电极原本在各自做有参考电极点测量时显示的结果基本相同，那么他们在共同作为同一个放大器的两个输入信号时记录到的电位差异便为零，所以能够很大程度地降低干还能够避免无关电极影响造成的误差，这是双极导联的优点。然而，若是双极导联的两个输入信号初始端的测量电极间距过于接近，那么从距离测量点较远位置传递而来的脑电信号就会被两个测量电极，因为距离远，不同位置较为细节的差异损耗掉，传到电极接近位置时信号被记录，但是这两个信号的特点会基本相仿，所以也会造成结做差比较时的差值极小且结果不能稳定，因此两电极间的距离应保持在一定距离以上，经过长期的实验测

35、量得出一个较好的经验，0.03m0.06m的间距是合适的，而这种测量点间的距离要求也成为了双极导联的缺点。图2-3 双极导联基本连接图2.4 实际测量安全性考量与设计本文所研究的脑电信号提取的电路是针对人体进行测量和信号数据采集的，因此所选器件及所设计的电路应当满足实现保障被测者身体安全的前提条件下，再来满足测量性能和精度上的要求。要做到测量对人体安全且没有副作用，就选择头皮脑电图的测量方法，这种测量方法是完全非侵入式的，对人体没有任何损害，也不会对人体造成创伤感染，因此是极佳的选择方案。选取测量生物电信号特制的电极放置在头皮进行作为传感器作为原始脑电信号的提取，再把这最初得到的信号进行多级放

36、大电路的放大和滤波去噪处理便可以得到我们所需要的脑电信号。另外，脑电设备从设计到生产制造各方面的出发点都是要以人为本，因为最终都是要用于服务人群的，实验安全方面考虑的再精细都不为过，所以整个测量系统考虑使用电池供电，既可以保障整个的电路的安全性，避免人体遭受过大电压的意外电击，也能降低整个电路自身产生的交流信号干扰。2.5本章小结 本章首先介绍了脑电信号的来源，并对脑电信号的产生原理进行了简要的阐述和分析，又对常见的几种脑电信号的特征以表格的形式进行分析和总结，为接下来脑电信号提取电路的设计提供了依据，然后又对脑电信号测量的电极导联方式作了介绍，这是后面电路设计部分的基础。第 10 页第3章

37、EEG信号提取电路设计第3章 EEG信号提取电路设计3.1 脑电信号提取电路的基本要求前面的章节中已经介绍过，脑电信号的特点大概可以总结为三个：一是低频，因为脑电信号的主要频率范围在0.5-40Hz；二是微小，EEG信号的幅度一般在2-150V，约是1V的百万分之一；三是EEG信号的测量是从皮肤上测得，因为头皮、毛发、血液等不同人体组织间隔在信号源与测量电极中间，会造成信号源阻抗高的情况，可能的干扰有许多，比如通过人体的干扰电流、通过放大器的干扰电流、通过信号测量线的干扰电流、电磁引起的干扰、高频噪声的干扰、共模干扰等。所以整个测量系统应当具有生物电极传感器用以获取初始的头皮脑电信号，然后因为

38、脑电信号过于微小，应当对其进行超大倍数的放大，为了避免放大引起的失真以及能够对混入的噪声信号进行处理，系统应当采用多级放大系统，并在适当位置添加高低通滤波器以及陷波器对信号进行多级处理。脑电信号只有100V左右，所以电路的整体放大倍数应当达到15000-20000倍，才能使信号具有较好的可观测性。由于头皮脑电是具有较高内阻的信号源，故而放大器应当选择具有较高输入阻抗的放大器。而且各电路元器件应当具有较低的功耗，这样才有利于长期的工作。3.2 EEG信号测量电路总体设计人体头皮脑电信号是一种非常微弱的人体生物电信号，其幅度十分微小，一般也只在数微伏至一百五十微伏之间，频率一般在0.5-40Hz范

39、围。又因为人体包含骨骼、肌肉、体液等多种组织成分，是一个相当复杂的不良导体，所以能够捕捉到的有用脑电信号的通常是在30赫兹以下的频率范围，而且通过头皮脑电电极所提取到的脑电信号峰峰值一般也只在微伏级。所以，应当对测量所用的脑电电极进行筛选，并且能捕捉到的原始脑电信号进行放大处理，并进行滤波和去噪，这样才能获得良好的脑电信号为后续的信号分析和处理提供较高的可靠性。本文所设计的脑电信号提取电路主要由以的几个部分构成：1. 头皮脑电信号采集电极，把提取到的脑电信号输送到前置放大器的输入端，前置放大器的初级放大电路采用同相差动放大，输入端一端连接活动电极放置在头皮，另一端作为参考电极放置在耳垂处，经过

40、初级放大之后整体放大倍数约为2000倍；2. 再进一步对信号进行滤波处理，首先接入一个高通滤波器，其截止频率大约设为0.3Hz（因为脑电信号一般在0.5Hz以上，高通滤波器能够保障让有用的脑电信号通过，滤除低频直流分量造成的干扰）；3. 由于测量过程中不可避免的会混入50Hz工频干扰，所以本文设计了一个50Hz陷波器，用以滤除工频干扰，并在之后连接一个低通滤波器将滤除除了50Hz以外的100Hz、150Hz等频率的干扰，他们的幅值比50Hz工频干扰小，但是前面经过系统的放大数千倍，干扰依然会十分严重，所以不能忽视；4. 设计一个后级放大电路，因为只有前面的前置放大电路，对于信号的放大强度是不能

41、满足要求的，再添加一个后级放大电路是有必要的。整个电路的各个子电路的结构示意图如下：EEG采集电极前置放大电路高通滤波器后级放大电路50Hz陷波器低通滤波器图3-1 模拟脑电信号处理电路结构图3.3 电路中各部分的详细设计及Multisim仿真Multisim软件介绍：Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样

42、工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 图3-2 Multisim软件截图3.3.1 EEG电极选取与放置 人体生物电信号的采集必须应用到电极，有了电极的引导才能把电信号从人体中成功提取，但是因为大脑的脑电信号是一种十分微弱的低频生物电信号，特别容易受到外界电磁环境的影响以及干扰，所以对于电极的种类选取还有位置放置都有甚为重要的影响，电极的种类临床用于常规脑电图记录的电极有一下几种：（

43、1）柱状电极：又称桥式电极，电极一端垂直与头皮接触，另一端连接一个直角支架形成桥式结构，用特制的弹性胶带电极帽固定在桥的横梁上。常用于短程的普通脑电图记录，优点是安装方便快捷，缺点是病人只能取安静座位记录，稍有活动电极就容易脱落。（2）盘状电极：为直径7mm左右的圆盘形电极，接触头皮一侧的中间向外凹陷并有孔，用于注入导电膏。如做短时间记录，可用导电膏固定电极，但很容意脱落。也可用火棉胶将电极固定在头皮，优点是牢固，不易脱落，病人可以卧位记录，适合于睡眠记录，长城记录及对不合作的儿童记录；缺点是安装及取下电极均费时费力。（3）针电极：用针尖裸露而针体绝缘的银针刺入头皮记录，虽然操作简单且电阻小，

44、但给病人造成疼痛，并容易引起感染。因此在常规头皮脑电图记录中不提倡使用。偶可用于昏迷病人的头皮记录，此时病人疼痛感觉多减退或消失，且在监护室内有各种仪器的干扰，需要在最短时间内获得有效记录，使用时应注意前后平行排列针电极，排列混乱可造成认为的波幅不对称和波形畸变 秦兵. 临床脑电图学指南 (1)临床脑电图操作的最低技术要求J. 癫痫与神经电生理学杂志, 2011, 20(2): 118-121.。（4）耳电极：常用弹簧夹固定的盘状电极或螺旋式电极，将电极固定在耳垂。也可用胶布直接将盘状电极固定在耳垂。（5）特殊部位的电极：如蝶骨电极或眶顶电极。短视记录可采用针电极刺入有关部位；如需长程监测，可

45、使用前端呈小球型的银质软电极，连接非常细而软的导线，导线上套以硅胶管，局部麻醉后用套管针送至欲记录的部位，然后抽出导管，用无菌纱布和胶带固定在颊部。头皮与电极之间相互移动时可产生电荷引起干扰，解决方法是使用银-氯化银电极，并在头皮与电极之间使用胶冻状的导电膏或生理盐水等导电物质，减少电极与头皮的摩擦。综上所述，还为了防止可能出现的基线漂移问题，本文选取柱状银AgCl材质制成的电极和耳电极作为单极导联法的两个输入电极，用以提高极化电压的稳定性，位置选取头部额头位置没有头发干扰的位置，能够较为牢固地固定电极并获得较为稳定的脑电信号。3.3.2 前置放大电路设计及仿真 对比心电信号分析可以知道，脑电

46、信号比心电信号更加微弱，所以说脑电信号有着相当高的信号源阻抗 唐建友. 结合脑电信息的多自由度肌电假手研究D. 杭州电子科技大学, 2009.，所以在选取放大器的时候应当考虑它的阻抗方面的特性能否满足要求，在我们的电路设计中需要放大器有高输入阻抗3。在此电路中我们采用的是镀银电极将人体内原本的离子导电转化为电子导电，也有一定的弊端就是电极的一特性也会对放大器的共模抑制比、噪声、以及频率失真等问题造成影响。金属片在接触人体皮肤后，金属电极与皮肤下层的组织液发生电化学反应，在测量电极接触人体后，金属电极和人体之间带电粒子会有一定的定向运动，从而会产生电位差，这种方式产生的电位差很小，但是相对于微伏

47、级的脑电信号来说这种差值已经是脑电信号几百上千倍，所以这种来自于极化电压间的干扰在设计电路时必须要考虑将其去除。在测量时，人体所带有的工频干扰以及其他生物电信号如肌电信号，眼电信号，心电信号等也会对测量结果造成不小的影响，因此在设计前置放大电路时，本文选择差动放大电路。在选取放大器时，共模抑制比（CMRR）是该器件的主要指标，对于要测量的脑电信号来讲，要求放大器的CMRR应当在120dB以上。综上，我们选择同相并联差动放大电路作为前置放大电路的雏形，基础电路图如下：图3-3 同相并联差动放大电路 上图中，结合测量脑电信号的实际需要，把A1和A2共同组成了同相并联输入模式的真个前置放大器的第一级

48、放大部分，这样做的目的是为了提高放大器的输入内阻，然后的A3放大器作为差动放大的主体部分，作为整个前置放大电路的第二级放大。当然对于实际的测量，还要对该电路进行进一步的细化和改进，包括放大器的适当选取和极化电压的去除。关于放大器的选择，本文选取低功耗型运算放大器：顾名思义，是指该运放正常工作时所消耗的功率比普通运放低，低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦，对于提高电路效率有莫大的帮助，这类集成运算放大器在便携式电子产品中有很高的使用率。常见的低功耗型运算放大器有TI公司的OPA2244、TLC2252，NS公司的LMC6041/6042等等。

49、 TLC2252是TI公司设计制造的双路运算放大器，满电源电压幅度输出性能，各方面性能优于CMOS运放，其每一放大器仅需要35uA的电源电流，具有很好的低电平电压噪声抑制能力，它呈现出高输入阻抗，能很好地适用于高阻电源，而且，其共模输入电压范围比通常标准的CMOS型放大器更宽，再加上它的温度性能，这一系列性能使得它能广泛应用于各个领域中，比如温度控制、远程压力传感器、加速计、手持仪表等等。 下图是TLC2252的封装形式： 图3-4 TLC2252封装图 它的特点如下： （1） ：输出摆幅包括两个电源电压（可达到满电源电压）。 （2） ：低噪声（频率1kHZ时为19nV/HZ）。 （3） ：输

50、入偏置电流低（典型值为1pA）。（4） ：单电源和分享电源都能达到所有规定的技术指标。 （5） ：共模输入电压范围包含负电源电压（典型值为每个通道35uA）。 （6）：低输入失调电压（25时TLC2252A最大为850uA）。由上面的资料可以看出，TLC2252的低功耗和高输入阻抗的特点满足本文对于脑电信号放大器A1，A2的要求。对于差动放大器A3，查阅差动放大器的相关使用手册，AD620较为满足本文对于差动放大器的选择要求，AD620的各项介绍如下： 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

51、，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，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40 ppm)、低失调电压(最大50 V)和低失调漂移(最大0.6 V/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。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Supereta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声峰峰值为0.28V，输入电流噪声为0.1

52、 pA/ 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15s，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 ±18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 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,

53、其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用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。AD620 的两个内部增益电阻为24. 7 k , 因而增益方程式为G =49.4 k/R G + 1 对于所需的增益, 则外部控制电阻值为：R G =49.4/（G - 1）k其原理图和引脚图如下： 图3-5 AD620原理图 图3-6 AD620引脚配制框图结合上面的前置放大电路的总体设计和具体元器件选择，我们可以在Multisim上搭建仿真电路图如下图3-6 前置放大电路Multisim仿真图在图3-6中，对同

54、相并联差动放大电路进行了改进，在图3-3的的基础上添加了电容C1，C2用来去除极化电压的干扰，由差动放大电路的原型可以知道，第一级放大电路的电压增益为：，结合电路中的实际电阻值，R1=R2=50k，R3=1k，则第一级放大增益为101dB。前置放大电路中的第二级放大为AD620放大，由其元器件说明可知其增益方程式为：G =49.4 k/R G + 1 将电路中实际使用的电阻阻值2.6k代入上面的方程式可得G=20dB，即差动放大器AD620此时的增益为20dB。联合第一二级放大电路，则整个前置放大电路的放大倍数为101*20=2020,前置放大电路整体对输入信号放大两千倍左右。图3-7 前置放

55、大电路示波器显示图在本仿真实验中，采用10V，30Hz的交流信号来模拟脑电信号，在AD620的输出端用双踪示波器测量输出幅度，在该示波器中T1是蓝色线，测量同道A的幅度为1.058V，此时刻通道B上的幅度为21.718mV，而通道B测量的是AD620的输出信号，同道A测量的是输入进AD620的输入信号幅度，两相比较则可确定AD620的放大倍数约为20倍是可靠的，模拟脑电信号的交流信号源的原始幅度为10V，则整个前置放大电路的放大倍数达到2000倍左右是符合要求的。3.3.3 高通滤波电路的设计和仿真 在前置放大电路中第一级放大电路和第二级放大电路中添加了高通滤波隔离直流电路，在前置放大电路中的电路如下图3-8所示其中，根据公式,可以计算得出截止频率f=0.05Hz，这样就