張學軍，溫 煒
（ 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003）
摘要：提取腦電信號是進行腦電信號分析的第一步，其中關鍵的技術之一就是信號調理電路的設計。腦電信號是極其微弱的生物信號，對噪聲極為敏感、對放大器性能要求較高。設計了預處理電路中的放大以及濾波電路，具有元器件簡單、價格低廉等特點。測試結果表明，該系統具有良好的放大及濾波性能。
關鍵詞：腦電信號；放大電路；濾波器
0引言
生物科學尤其是腦科學的研究已經進入高速發展的時期，現階段用于腦電信號分析的儀器設備通常是腦磁圖儀或者腦電圖機。而腦磁圖儀因其體積龐大、價格昂貴，只能被專業機構使用。腦電圖機的普及相對容易，更易被用戶接受。
腦電圖機的性能、價格、體積、是否易于普及等特性，在很大程度上取決于腦電信號調理電路的設計，這也是腦電圖機最為關鍵的技術之一。
腦電信號（EEG）是極其微弱的生物信號，頻率集中在0.5~100 Hz，幅值只有5~100 μV［1］。因此EEG信號極易被淹沒在噪聲之中。噪聲包括外部噪聲，如50 Hz工頻干擾、環境中高壓電源的噪聲、人體與電流耦合的噪聲等；以及內部噪聲，如電極引出信號時的噪聲、元器件內部的熱噪聲等。此外，小信號的放大也是難點之一。要將EEG信號放大至能被A/D轉化器所識別的大小，整個系統至少需要達到上萬倍的增益。腦電信號調理電路的主要任務就是對腦電信號進行濾噪及放大。
1系統總體設計
系統總體設計思路是保證系統具有“三高兩低”的特性，即高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲、低漂移［2］。該系統電路分為放大電路、濾波電路以及電平抬升電路。由于腦電信號的特殊性質，為避免噪聲影響，EEG放大無法一次到位，需分2~3級逐級放大。濾波電路用來濾除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信號，同時濾除50 Hz的工頻干擾噪聲［3］。調理電路總體設計框圖如圖1所示。
2調理電路設計
按照總體框圖中各個模塊分部分闡述具體電路的設計工作。
2.1EEG輸入
國際上把頭皮電極定位的標準方法稱為10-12系統法。本系統采用單通道，將兩片醫用電極分別貼在太陽穴的兩側，第三片電極貼在耳垂處起到接地的作用。采集到的頭皮信號同步送入下一級差分放大電路。
2.2放大電路
2.2.1前置放大電路
該電路是除了電極之外首先接收并處理腦電信號的模塊。腦電信號只有μV級別，需要放大上萬倍。但是初次放大不宜過大，此時噪聲沒有被濾除，它對EEG信號的影響極大，過度放大極易使噪聲淹沒有效信息。由此考慮，設置初級放大的增益為20，器件選取AD620。AD620能夠滿足放大需求，并且具有抗干擾能力、功耗低、價格便宜等特點［4］。其增益G的計算公式為：
G=49.4 kΩ/RG+1（1）
外接電阻RG取2~3 kΩ，此時G約為20，共模抑制比約為110 dB。
2.2.2后級放大電路
經過初次放大，放大增益仍不能滿足設計需求，需要第二級放大。后級放大電路設計增益大約為500倍,如式（2）所示，電路如圖2所示。
其增益G的值與R1和R2有關，將R2設置為滑動變阻器即可動態調節增益。不同受試者或同一受試者處于不同狀態時，其腦電信號振幅會有所差異，可適時調節。
2.3濾波電路
2.3.1高通濾波電路
此電路負責濾除0.5 Hz以下的信號，采用了壓控電壓源二階高通濾波器。其傳遞函數為：
其中,C1=C2=4.7 μF,R1=47 kΩ,Rf（R2）=30 kΩ,R3=R4=100 kΩ，得到截止頻率為：
電路圖以及波特圖如圖3所示。
2.3.2低通濾波電路
腦電信號的主要頻率集中在100 Hz以內，因此可將大于100 Hz的信號直接濾除，該電路傳遞函數為：
電路圖以及波特圖如圖4所示。
2.3.3陷波電路
我國市電電壓的頻率為50 Hz，它同樣會對設備造成嚴重的干擾，這一干擾稱為工頻干擾，抑制它的電路是陷波電路。通常情況下，采用的解決方案是“雙T”陷波電路［5］。傳遞函數為：
電路圖以及波特圖如圖5所示。
2.4電平抬升電路
A/D轉化器能識別的標準電壓大多在0~3.3 V，呈單極性。保證EEG信號負電壓的部分不受損失，需要將其抬升至標準電壓內。電平抬升電路如圖6所示。
調理電路設計并制作完成后，對系統性能進行測試，結果如下。
3.1低通濾波電路測試
設計的截止頻率為100 Hz，測試時，維持濾波器輸出端的電壓為10 V，改變輸入信號的頻率，結果如表1所示。
電壓在100 Hz截止頻率之后出現快速的衰減，在95 Hz的時候仍能保持較高的峰峰值。
3.2陷波電路測試
測試方式與上文相同，結果如表2所示。
3.3系統整體測試
本系統前置放大電路實際增益為19，后級放大為578，總體增益為10 982倍，達到設計需求。
4結論
本文設計了腦電信號調理電路，完成了信號的頭皮采集、放大、濾波等預處理工作，并對該調理電路的性能做了分析。總體上達到了設計目標。該電路仍有可改進的地方，如加入緩沖電路、右腿驅動電路等。
參考文獻
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［3］ 謝宏,李亞男,夏斌. 基于ADS1299的可穿戴式腦電信號采集系統前端設計［J］.電子技術應用,2014,40(3):8689.
［4］ 李永建，李舜酩，郝青青，等. 微弱振動信號自適應采集系統設計［J］. 現代電子技,2009,32(5):187 190.
［5］ 史駿，彭靜玉. 基于雙T網絡的50Hz陷波電路設汁［J］. 科技信息,2011(21):121122.