高输入阻抗 神经调理电路的设计.docx
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高输入阻抗神经调理电路的设计
燕山大学
课程设计说明书
题目:
高阻抗前置放大电路的设计
学院(系):
电气工程学院
年级专业:
09级生物医学工程1班
学号:
090103040046
学生姓名:
王京
指导教师:
赵勇
教师职称:
讲师
燕山大学课程设计(论文)任务书
院(系):
电气工程学院基层教学单位:
生物医学工程系
学号
0901********
学生姓名
王京
专业(班级)
09级生物医学工程1班
设计题目
自由活动动物的脑电测量电路
设
计
技
术
参
数
●前置输入阻抗至少在几百兆以上。
●电压增益为1000。
●上限截止频率为10KHZ,下限截止频率为50HZ。
设
计
要
求
●完成题目的理论设计模型;
●完成电路的multisim仿真。
工
作
量
●学会使用Multisim软件;
●独立完成电路设计,并仿真;
●参加答辩并书写任务书。
工
作
计
划
1.学习使用软件Multisim,选定设计方案;
2.电路设计;
3.电路设计;
4.电路仿真、调试;
5.答辩并书写任务书。
参
考
资
料
《现代测控电路》.李刚主编.高等教育出版社.
《实例讲解Multisim10电路仿真》.程勇.人民邮电出版社.
《生物医学信号的处理与识别》杨福生.天津科技翻译出版公司.
指导教师签字
赵勇
基层教学单位主任签字
李昕
2012年7月2日
目录
1神经信号调理电路的基本要求---------------------2
1.1神经信号简介-----------------------------2
1.2基本要求---------------------------------3
2.总电路----------------------------------------3
3.模拟神经信号源测试----------------------------3
4.高输入阻抗的设计方法--------------------------4
5.前置放大电路----------------------------------7
6.中间级处理电路--------------------------------9
6.1.带通选频网络----------------------------10
6.2.二级放大及增益调节电路----------------16
6.3.50Hz工频陷波器--------------------------18
7.参考文献-------------------------------------19
神经调理电路的设计
本文介绍了一种神经信号调理电路。
该电路由前置输入放大电路、二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路、增益调节电路、50Hz陷波电路、信号采集识别电路等组成,具有输入阻抗高、共模抑制比高、不同频率段相移相差小、高倍放大、结构简单稳定可靠等特点,解决了对人体神经信号进行检测时常遇到的信号
微弱和极化电压干扰等难题。
1神经信号调理电路的基本要求
1.1神经信号简介
人体的神经信号直接表征着人体自我的意思,研究神经信号为了解、识别人体提供了一条途径。
神经信号和人体的其它生物信号有相同的一些特点,也有其独具的一些特征。
根据神经生物学的研究,神经信号是一种形似脉冲的电信号,频率~般为lkHz左右,高的可达10kHz。
人体的神经信号是属于强噪声干扰
下的低频微弱信号,由于其非常微弱,只有微伏级,同时干扰又异常强大,因此有效信号往往会被淹没。
干扰信号一般包括高频的电磁干扰、50Hz工频干扰和极化电压等。
工频干扰主要以共模信号的形式存在,通常幅值可达几伏至几十伏。
而极化电压是由于测量的电极和生物组织之间构成了化学半电池而产生的直流电压,一般为几十毫伏,最大可达300mY。
另外,由于生物体的复杂性和特殊性,其等效的信号源输出阻抗一般很大,可有几十千欧。
1.2基本要求
鉴于神经信号的特点,必须要设计一款针对性强、性能优越、稳定可靠的神经信号调理电路。
符合此种要求的电路必须要具备以下性能:
◆夺高输入阻抗,高输入阻抗可以有效地减小信号源高内阻的影响.
◆具有很高的共模抑制比,抑制工频干扰以及其它测量参数外的生理作用干扰。
◆低噪声,低漂移。
2.总电路
3.模拟神经信号源测试
将低频信号1HZ,高频信号100KHZ,工频信号50KZ,和神经信号1KHZ叠加混合,并和高输出阻抗串联,形成模拟神经信号源。
经放大电路后应为只有1KHZ,当输出阻抗高达1M时结果波形正确,远大于神经信号源的输出阻抗几百千欧,当高于1M时,波形失真
当模拟信号源的输出阻抗为1M
当模拟信号源的输出阻抗为1M
说明本电路有高输入阻抗,对信号有保护作用
4.高输入阻抗的设计方法
仪用放大器因为其经典的三运放结构而具有较高的输入阻抗和共模抑制比,并且只需外接一个电阻即可设定增益,在生物信号处理领域被广泛地应用。
这里选用的AD公司的AD8221是最新的一款型号,比通用的AD620在各方面的性能都要高一个数量级。
另外由于极化电压的存在,为了避免电路的饱和,前置放大电路的增益必须在数十倍之内,不能过大。
AD8221,简介如下:
AD8221是美国ADI(AnalogDevicesInc)公司2003年推出的增益可编程高性能仪用放大器,该放大器的突出优点是其优异的共模抑制性能。
当增益为1时,AD8221能够在各级保持最小80dB的共模抑制比,直至频率达到10kHz,因此,它能够抑制宽带共模干扰,从而可有效解决上述问题。
AD8221具有很高的输入阻抗,很高的共模抑制比。
AD8221主要有如下特点:
●具有优异的交流特性,共模抑制比高,当G为1V/V时,共模抑制比最小为80dB并将保持至10kHz;此外,AD8221还具有很宽的带宽,当G为1V/V时,-3dB处的频率为825kHz;
●具有优异的直流特性,最大输入失调电压为25μV;最大输入失调电压温漂为0.3μV/℃;最大失调电流为0.4nA。
●噪声低,当其工作频率为1kHz时,AD8221放大器的最大输入电压噪声为8nV/√Hz;而在频率为0.1Hz~10Hz时,AD8221仅存在0.25μV的点对点输入噪声。
●增益可以编程设置,从而为用户提供了较大的使用灵活性。
增益可由单一电阻进行控制且精度很高,其可编程范围为1~1000V/V;
●采用8引脚SOIC和MSOP两种封装,其中MSOP所占电路板空间是SOIC的一半,因而是多通道或节省空间应用的理想器件;
●既可单电源供电也可双电源供电,电源电压范围为±2.3V~±18V,特别适合±10V输入电压的应用情况;
●可以在-40℃~+125℃的温度范围内正常工作。
AD8221可广泛用于精确数据采集、生物医学信号分析和航空航天仪器系统中。
由于它具有低失调电压、低失调电压温漂、低增益漂移、高增益精度等特点,因而非常适用于要求直流特性比较高的应用领域,例如桥式电路信号测量等。
另外,它还可应用于生产过程控制、医疗仪器、应变仪和传感器接口等电路中
经查资料,AD8221的输入阻抗为100G,OP07的输入阻抗为33k,r+=R+*(1+AF)=33K*(1+1*300)=10M
击串联R=100M+20M=120M
如图可算出输入阻抗为:
V1=K*R2,V2=(K*R2*R)/(R2+R),计算得R=94.5G。
大致相同。
5.前置放大电路
前置放大电路主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比等的影响。
电路如图所示,包括输入缓冲、高频滤波和仪用放大电路三部分.生物体的等效信号源的输出阻抗一般可有几十千欧,这就要求设计的电路的输入阻抗大于百兆欧。
因此在前置放大电路的最前级直接采用了电压跟随器的设计,此种设计在理论上输入阻抗无穷大,有效的将人体与电路系统隔离,去除了信号源内阻高且不稳定的影响。
仪用放大器因为其经典的三运放结构而具有较高的输入阻抗和共模抑制比,并且只需外接一个电阻即可设定增益,在生物信号处理领域被广泛地应用。
这里选用的AD公司的AD8221是最新的一款型号,比通用的AD620在各方面的性能都要高一个数量级。
另外由于极化电压的存在,为了避免电路的饱和,前置放大电路的增益必须在数十倍之内,不能过大。
计算前置放大电路的阻抗如图:
如图可算出输入阻抗为:
V1=K*R2,V2=(K*R2*R)/(R2+R),计算得R=120G。
6.中间级处理电路
中间级处理电路分为带通选频网络、二级放大电路、50Hz陷波器和增益调节电路等。
带通选频网络由RC无源网络组成,简单可靠,.通带的最大范围设定为0.05kHz~l0kHz。
根据个体的差异,可以对信号的放大倍数进行调整,以适合后续数字控制电路对数据的采集。
6.1.带通选频网络
带通选频网络由二阶低通和二阶高通滤波电路组成。
其中通带的最大范围设一定为0.05kHz~10kHz,这就要求低通滤波的截止频率为lOkHz,而高通滤波截止频率为0.05kHz。
无源滤波器由电感、电容和电阻构成,在一定频率范围内是很适用的。
然而,在低频范围,由于电感尺小和性能的限制,无源滤波器是不理想的网。
所以在设计时,前置放大电路选择的是无源滤波,而在中间级滤波是选择了有源滤波。
低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想的低通滤波器幅度响应与理想特性的幅度响应有明显的区别。
在理想情况下,可以清楚地指明通带和阻带;但在实际情况下,必须定义截止角频率。
当然,理想的低通幅度应不可能在物理上加以实现;然而,可用下面的传递函数对理想特性加以逼近其中为适当选择的常数。
表示~个n阶全极点近似式,之所以这样称呼是因为它的分母多项式为n次幂丽分子为常数
(因而它没有有限零点,只有有限极点)。
低通滤波器的增益是传递函数在s=O时的值,很明显,在上式里,增益就是G。
有许多种低通滤波器,最通用的是巴特沃斯和切比雪夫型。
它们的传递函数都为上式的类型,差别仅仅在于常数的选择。
本文选择了巴特沃斯型低通滤波电路。
用运算放大器、电阻和电容构成低通滤波器的方法有许多种。
一种广泛应用的通用电路是萨伦~基(Sallen---Key)电路口51。
我们把萨伦一基电路看作是压控电压源低通滤波器,因为它是用一个运算放大器和适当连接的两个电阻构成一个压控电压源。
在二阶低通滤波器的情况下,传递函数上式变为下式所示。
实现这种传递函数的萨伦一基电路如图所示,这里运算放大器和电阻R3和R4构成构成压控电压源。
高阶偶次滤波器可由两个或多个二阶滤波器级联组成。
在这种情况下,传递函数必须被因式分解为如式所示的二阶函数的乘积。
那么,每一级部可用如图所示的电路来实现。
根据要求设计了压控压源型的二阶低通滤波电路,参数的选择与压控压源型的二阶高通滤波电路相同,在高通电路中一并讲述。
高通滤波器通过高频信号而衰减低频信号。
和低通滤波器一样,截止频点是当幅度下降为最大值的时的频率。
和低通滤波器情况一样,幅度响应也可以用分贝标绘。
为获得高通滤波器的传递函数,只需将低通滤波器传递函数中的s用1/s代换即可。
因此,从全极型低通滤波器方程式导出n阶高通传递函数的过程为
经上述代换并化简后可得
高通滤波器的增益是当s趋于无穷大时的传递函数值。
在式中,这个增益显然就是G,它也是进行S=I/S代换前由式给出的低通“原型”的增益。
关于切比雪夫和巴特沃斯低通滤波器的优点和缺点的评价也适用于高通滤波器。
切比雪夫滤波器有较好的截止特性,通带有波纹而巴特沃斯滤波器有较好的相位响应和单调的幅度响应.当然.随着阶数n的增加.每种滤波嚣的幅度响应都将得到改善,但随之而来的是相位响应变坏。
当n=2时,上式成为
这是二阶高通滤波器或高阶高通滤波器的二阶节的传递函数。
一个能实现这种函数并获得广泛使用的电路是压控电压源高通滤波器,如图所示,它是由萨伦—基首先提出的。
它是将上图的压控电压源低通电路的电阻和电容交换位置得到的,它也包含了一个由运算放大器和R3和R4组成的压控电压源。
分析图可得下列条件:
6.2.二级放大及增益调节电路
二级放大电路在结构上和增益调节电路类似,都是由运放接成电压负反馈的形式。
前者进行信号的放大,而后者控制整体电路的增益,最大可达120dB。
其结构示意图如图3-6所示。
这里,运算放大器选用0P27p“,而且运用电压串联负反馈结构。
其优点是结构简单,具有如下不可替代的优越的性能:
(1)输入等效阻抗大,Ri=(I+AF)rid,输出等效阻抗小,Ro=ro/(I+AF),其中,rid为运放的输入阻抗,ro为输出阻抗。
不仅完成了信号的放大作用,而且还起到了缓冲器的作用,有效地隔离了前后级的模块,不用额外增加阻抗变换器和匹配模块;
(2)电容C的使用使整个模块具有了低通的功能,不仅可以去除信号中的高频干扰,还由于其超前补偿作用,对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。
通过合理的设计,电路频率段的相位将变化平缓。
神经信号是一种类脉冲形状的信号,信号形状不发生明显的畸变,在对其进行时域处理时有着积极的意义。
在实验中通过调节R3可以调节放大倍数使神经信号放大适当的倍数与A/D采集系统相匹配。
6.3.50Hz工频陷波器
陷波器是利用压电效应制成的带阻滤波器,它的作用是阻止或滤掉信号中干扰成分在脑电信号的采集过程中,存在50Hz的工频干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制能力,但有部分工频干扰是以差模信号的方式进入电路的,对脑电信号造成严重的干扰,必须加以滤除。
消除工频干扰的方法是使用带阻滤波器,它能够使在规定的频带内,信号不能通过(或受到很大衰减或抑制),而在其余频率范围,信号则能顺利通过。
带阻滤波器又称陷波器。
利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路,是作为抑制脑电信号测量中的工频干扰而经常采用的陷波电路结构。
图4为本系统采用的有源双T网络陷波电路。
因此,我们对双T50Hz陷波器的特点作了分析,并综合成有较高Q值的有源滤波器如图3-7所示。
双T有源带阻滤波器的特性主要取决于两个方面。
在双T网络中,两支路的R,C的对称度决定陷波点的衰减能达到的最低程度,必须保持R,R和R/2之间以及C,C和2C之间的严格对称关系。
阻带宽度有可变电阻调节,可以根据阻带的宽度的要求选择k值。
陷波器的特性参数为:
一定范围内,k值越大,Q值越高,频率选择性越好。
但是Q值太高,滤波器的性能不稳定,例如,元器件受温度等变化影响等变化影响产生的变化将使陷波点移动,造成50Hz工频干扰得不到抑制。
通常取k=0.8左右。
K值过大,又将在50Hz附近丢失太多的信号,产生波形失真,对于频带包含50Hz的被测信号是有所损失的
5.参考文献
1.周海峰,赵春宇,陈大跃,一种神经信号调理电路的设计
2.余学飞,现代医学电子仪器原理与设计[M]2版
3.康光华,电子技术基础[M]
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语:
①该生学习态度(认真较认真不认真)
②该生迟到、早退现象(有无)
③该生依赖他人进行设计情况(有无)
平时成绩:
指导教师签字:
2012年7月6日
图面及其它成绩:
答辩小组评语:
①设计巧妙,实现设计要求,并有所创新。
②设计合理,实现设计要求。
③实现了大部分设计要求。
④没有完成设计要求,或者只实现了一小部分的设计要求。
答辩成绩:
组长签字:
2012年7月6日
课程设计综合成绩:
答辩小组成员签字:
2012年7月6日
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