CN105640550A - 一种基于ina128的脑电采集前端设计 - Google Patents

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华伟
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赵元豪
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Abstract

一种基于INA128的脑电采集前端设计，采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大，同时为了消除干扰，使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路，而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端系统不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来，并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。

Description

一种基于INA128的脑电采集前端设计
技术领域
本发明涉及生物医学与计算机科学的交叉领域，具体而言，涉及一种对脑电信号进行采集的设计。
背景技术
由于脑电信号的一些特点，脑电信号采集系统需满足以下几个要求:
(1)高增益：脑电信号微弱，头皮接触式电极采集的脑电信号正常幅度在0.5μV到100μV左右，所以系统对脑电信号放大增益通常要求在5000倍以上；
(2)滤除高频干扰：脑电信号频率通常在0.1Hz到100Hz，需滤除高频干扰；
(3)放大器需有高共模抑制比：脑电信号提取过程中，毫伏级的共模干扰普遍存在，如工频干扰等，所以要求系统有较高的共模抑制比；
(4)前置部分需有高输入阻抗：头皮与颅骨间电阻高达几千欧，为提高信号获取能力，输入阻抗应大于10MΩ；
(5)需考虑极化电压及生理干扰：人体自身生理活动会对脑电信号的有用频带有所覆盖，且波幅较大，如心电、眼电和肌电等，使得纯净脑电信号获取较难，此外，电极极化电压的存在使设计中前置放大器增益不能过大；
(6)生物电极应安全无害，结构稳定，工作可靠。
传统脑电采集系统通过复杂的放大滤波电路设计，以满足脑电信号采集的要求，但是这样会导致电路板体积过大、功耗高、不利于设计采集系统的便携化。为了实现脑电采集系统的小型化，人们常采用针对特殊应用和特殊设计来简化脑电信号调理电路。
发明内容
该发明是一款便携式脑电采集前端，采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大，同时为了消除干扰，使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路，而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端系统不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来，并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
穿戴式脑电采集前端的总体结构：由干电极、滤波模块、一级放大、和二级放大模块组成。
1.滤波模块
针对脑电信号十分微弱的特点，传统采集前端通常由模拟混抗滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比，这也是导致其体积大不利于实现可穿戴的主要原因。INA128为差分输入，其共模抑制比高达120dB，且其直流输入阻抗高达1000M?，能够很好地保证系统的抗干扰要求。
由于脑电信号频率只有0.5~100Hz，实验分析的有效范围一般在0.5~30Hz，在模数转换前必须经过低通抗混滤波的预处理。该电路由二阶无源RC低通滤波和限幅电路组成。该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果，通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。限幅电路则是由两个二极管组成，其单向导通特性可以将电压幅值钳制在预定范围内。
2.一级放大模块
该系统中模拟前端放大模块是保障系统整体性能的关键，其中采用TI公司的INA128为核心器件，主要考虑其有如下特性：
(1)高共模抑制比，可高达120dB；
(2)高输入阻抗，可达1010Ω；
(3)较小温漂，0.5μV/℃；
(4)较小偏置电流，不超过5nA；
(5)较小失调电压，不超过50μV；
这些特性保证了加入很少的器件即可搭建脑电信号模拟前端。
INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。它们通用的3运放（3-opamp）设计和体积小巧使其应用范围广泛反馈电流Current-feedback输入电路即使在高增益条件下(G=100时200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择INA128提供工业标准的增益等式。INA128用激光进行修正微调具有非常低的偏置电压(50mV)温度漂移0.5μV/°C和高共模抑制在G=100时120dB其电源电压低至±2.25V且静态电流只有700uA是电池供电系统的理想选择内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。
3.二级放大模块
应用AD620进行二级放大。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，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，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40ppm)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/°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Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声峰峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1pA/√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15μs，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~±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),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,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β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。
一款可穿戴式脑电采集前端，采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大，同时为了消除干扰，使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路，而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端系统不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来，并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。
附图说明
图1为穿戴式脑电采集系统功能框图。
图2为信号预处理电路。
图3为INA128应用电路图。
图4为AD620应用电路。
图5为最终电路。
具体实施方法
首先该设计由干电极、滤波模块、一级放大、和二级放大模块组成。脑电信号由干电极接收，然后经过无源滤波模块进行滤波，取出0.5至100hz的信号。然后经过一级放大控制1，8脚所接电阻的大小来控制增益，在经过二级放大使得信号可以被处理，完成脑电信号的采集。

Claims (4)

1.一种基于INA128的脑电采集前端设计，其特征在于：一种基于INA128的脑电采集前端设计，使用幅滤波预处理电路，采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大，同时为了消除干扰，在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路，同时利用AD620进行2次放大，使采集的信号可被识别。
2.根据权利要求1所述的限幅滤波预处理电路，其特征在于：设计二阶无源RC低通滤波和限幅电路，该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果，通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。限幅电路则是由两个二极管及电阻电容组成，其单向导通特性可以将电压幅值钳制在预定范围内。
3.根据权利要求1所述的一级放大装置，其特征在于：由于脑电信号微弱，头皮接触式电极采集的脑电信号正常幅度在0.5μV到100μV，且脑电信号提取过程中，毫伏级的共模干扰普遍存在，所以要求系统有较高的共模抑制比；头皮与颅骨间电阻高达几千欧，为提高信号获取能力，输入阻抗应大于10MΩ；为了解决这些问题,；使用INA128为核心器件，由于其高共模抑制比，可高达120dB，高输入阻抗，可达1010Ω较小温漂，0.5μV/℃，较小偏置电流，不超过5nA，较小失调电压，不超过50μV；故使用其来做一级放大。
4.根据权利要求1所述的二级放大，其特征在于：由于脑电信号在0.5μV到100μV，需要的增益在5000倍以上，故需要二级放大，AD620是低成本、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，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用；故采用其进行二级放大。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107769753A (zh) * 2017-09-20 2018-03-06 戴承萍 一种可重构滤波器及复数滤波器
CN112971810A (zh) * 2021-05-11 2021-06-18 浙江普可医疗科技有限公司 一种脑电采集系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1538340A (zh) * 2003-10-21 2004-10-20 东北大学 基于脑电信号的虚拟键盘和机器人控制系统
CN102213603A (zh) * 2011-04-13 2011-10-12 北京航空航天大学 一种基于单片机的低频微弱信号检测仪
CN204723059U (zh) * 2015-05-14 2015-10-28 西京学院 一种采集脑电信号的电路

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1538340A (zh) * 2003-10-21 2004-10-20 东北大学 基于脑电信号的虚拟键盘和机器人控制系统
CN102213603A (zh) * 2011-04-13 2011-10-12 北京航空航天大学 一种基于单片机的低频微弱信号检测仪
CN204723059U (zh) * 2015-05-14 2015-10-28 西京学院 一种采集脑电信号的电路

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107769753A (zh) * 2017-09-20 2018-03-06 戴承萍 一种可重构滤波器及复数滤波器
CN112971810A (zh) * 2021-05-11 2021-06-18 浙江普可医疗科技有限公司 一种脑电采集系统
CN112971810B (zh) * 2021-05-11 2021-08-10 浙江普可医疗科技有限公司 一种脑电采集系统

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