【摘 要】本文根据脑电信号微弱，幅值小，噪声干扰大等条件，设计了一种能将脑电信号放大5000—50000倍的增益可调电路。为了消除干扰，抑制噪声，保证测量的正确性，设计了EEG高通滤波器、EEG低通滤波器和EEG带通滤波器。
【关键词】同相并联放大器；EEG高通滤波器；EEG四阶巴特沃斯低通滤波器；EEG50HZ工频滤波器
1.前言
脑电信号是反映大脑神经活动的生物电信号，对脑电信号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。现已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，峰峰值范围为5～200µV，频率范围为0.5～100Hz，波形因脑部位置不同而不同，且存在很大的个体差异。因此脑电信号放大和采集仍比较困难。而脑电信号放大实现的主要困难是不能在高增益放大的同时去除各种干扰。
2.电路结构设计
信号放大和处理电路结构图如图1所示。脑电放大是设计的重点环节，脑电信号属于低频的微弱信号，在进行处理前，必须把脑电信号放大到系统要求的大小。为了消除极化电压产生的干扰，设计了高通滤波器，截止频率为0.5HZ。由于脑电信号频率的范围基本上都在40HZ以内，所以设计了低通滤波器。为了消除脑电信号以外的高频噪声，设计了50HZ工频滤波器。
图1 信号放大与处理电路结构图
3.放大电路设计
3.1 前置放大器的设计
脑电信号具有不稳定性、非线性和随机性的特征，属于微弱生物电信号，具有强干扰的背景，输入信噪比可达1：105。因此，只有抑制噪声，才能检测到脑电信号。由于脑电信号太微弱，幅值范围为10uV到100uV，共模干扰会对脑电信号的检测造成严重的影响，因此要求脑电放大电路具有较高的共模抑制比，一般应在120dB以上。其次，脑电电极比心电电极小得多，所以它具有较强的信号源阻抗，要求其具有更高的输入阻抗，其值应大于10MQ。前置放大电路常采用差动电路的结构，为最大限度地提高输入阻抗及共模抑制比，目前生物电放大器前置级电路普遍采用的是同相并联结构的前置级放大电路。这种结构的电路由3个基本运算放大器构成，其中2个组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器的输入阻抗，另一个为差动放大，作为放大器的第二级，其共模抑制比取决于第一级放大电路中2个运放共模抑制比的对称程度、差动放大器的闭环增益以及电阻的匹配精度等。
图2 前置放大电
图3 二级放大电路
图4 三级放大电路
3.2 第二级放大器的设计
为了获得与输入脑电信号相同极性的输出，满足高输入阻抗的要求，使用同相输入放大器作为第二级放大器。根据公式Avf=1+Rf/R1，取Rl=1KΩ，R=51KΩ，R=3.5MΩ，电路原理如图3所示。
3.3 第三级放大器的设计
在第三级放大电路中，通过变阻器调节增益，放大器芯片使用AD620。
4.滤波电路设计
4.1 EEG高通滤波器
将无源RC高通滤波作为EEG高通滤波器，放在前置放大器与第二级放大器之间，用于隔离来自电极的极化电压，消除其干扰，截止频率为0.5HZ。
4.2 EEG低通滤波器
将EEG低通滤波器放在第二级放大电路之后，消除高频噪声。将巴特沃斯滤波器作为EEG低通滤波器。根据设计的需要，滤波器的截止频率为40Hz左右，在160Hz频率处的放大系数小于等于148dB，根据滤波阶数公式得出n=4，需要两阶滤波器级联来生成转移函数。
图5 低通滤波器
图6 EEG工频滤波器
4.3 EEG 50HZ工频滤波器
在脑电信号的提取过程中，脑电信号微弱，而人体的工频干扰比脑电信号要强，因此工频干扰淹没了脑电信号。为了有效地提取脑电信号，将50Hz工频滤波器放在低频滤波器和第三级放大之间，以去除脑电信号中混杂的工频。采用50Hz工频滤波器，对脑电信号的频率影响不大，但要求工频滤波器有较高的品质因素。
5.结论
本电路应用于脑电信号检测时，能够满足测量要求。实测指标：增益5100，CMRR>120dB，通带0.5Hz-40Hz，输入阻抗1OOMΩ，系统噪声O.1uV。由于待测信号微弱，测量中除低频干扰外，还有高频干扰，因此在屏蔽室中进行测量效果更佳。
参考文献：
[1]郭瑶.脑电信号放大与预处理器电路设计[J].设计与研究，2006（12）：50-51.
[2]季宝柱，赵丽.脑电信号检测装置的设计[J].才智，2012（3）：41.
[3]孙宇舸，叶柠，于艳波.基于右腿驱动技术的脑电信号放大器的设计[J].东北大学学报，2010，31（6）：777-781.