張學軍，溫 炜

（ 南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003）

摘要：提取腦電信号是進行腦電信号分析的第一步，其中關鍵的技術之一就是信号調理電路的設計。腦電信号是極其微弱的生物信号，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。

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，現階段用于腦電信号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，隻能被專業機構使用。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号調理電路的設計，這也是腦電圖機最為關鍵的技術之一。

腦電信号（EEG）是極其微弱的生物信号，頻率集中在0.5~100 Hz，幅值隻有5~100 μV［1］。因此EEG信号極易被淹沒在噪聲之中。噪聲包括外部噪聲，如50 Hz工頻幹擾、環境中高壓電源的噪聲、人體與電流耦合的噪聲等；以及内部噪聲，如電極引出信号時的噪聲、元器件内部的熱噪聲等。此外，小信号的放大也是難點之一。要将EEG信号放大至能被A/D轉化器所識别的大小，整個系統至少需要達到上萬倍的增益。腦電信号調理電路的主要任務就是對腦電信号進行濾噪及放大。

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、濾波電路以及電平擡升電路。由于腦電信号的特殊性質，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以上的信号，同時濾除50 Hz的工頻幹擾噪聲［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标準方法稱為10-12系統法。本系統采用單通道，将兩片醫用電極分别貼在太陽穴的兩側，第三片電極貼在耳垂處起到接地的作用。采集到的頭皮信号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号的模塊。腦電信号隻有μV級别，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信号的影響極大，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，并且具有抗幹擾能力、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後級放大電路

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。後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，将R2設置為滑動變阻器即可動态調節增益。不同受試者或同一受試者處于不同狀态時，其腦電信号振幅會有所差異，可适時調節。

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以下的信号，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

腦電信号的主要頻率集中在100 Hz以内，因此可将大于100 Hz的信号直接濾除，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幹擾，這一幹擾稱為工頻幹擾，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電平擡升電路

A/D轉化器能識别的标準電壓大多在0~3.3 V，呈單極性。保證EEG信号負電壓的部分不受損失，需要将其擡升至标準電壓内。電平擡升電路如圖6所示。

調理電路設計并制作完成後，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，改變輸入信号的頻率，結果如表1所示。

電壓在100 Hz截止頻率之後出現快速的衰減，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，後級放大為578，總體增益為10 982倍，達到設計需求。

4結論

本文設計了腦電信号調理電路，完成了信号的頭皮采集、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标。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

［1］ 陳長偉，谷秀鳳. 備考江蘇省計算機等級考試（二級VFP）策略［J］.經濟研究導刊,2010(4):8586.

［2］ 鐘文華. 基于ARM的腦電信号采集系統［J］. 電子設計工程,2008(2) :13 15.

［3］ 謝宏,李亞男,夏斌. 基于ADS1299的可穿戴式腦電信号采集系統前端設計［J］.電子技術應用,2014,40(3):8689.

［4］ 李永建，李舜酩，郝青青，等. 微弱振動信号自适應采集系統設計［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):121122.

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