CN117335755A - 一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法 - Google Patents

一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法。通过金杯电极线的电极端检测接入生物电信号；将生物电信号通过金杯电极线的生物电放大器通道进行处理，获取处理后的目标信号；其中，生物电放大器通道具备固定放大增益和齐纳电压界限值；根据固定放大增益，对生物电信号进行放大处理；根据齐纳电压界限值，滤除生物电信号中超过齐纳电压的信号。本申请通过高输人阻抗、ESD保护、限流及除颤保护等特性，保护每个输人导联免受外界噪声的干扰。

Description

一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法
技术领域
本发明涉及生物信号传输技术领域，特别涉及一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法。
背景技术
目前，在脑电信号的生物信号的传输上，需要通过电极线传输；
专利202210909885.1提出了一种柔性高密度头皮脑电电极及其制备方法，这种脑电极因其高密度及导电液使有发区脑电信号的采集更加稳定方便快捷，然后只能连接其它线路，传输脑电信号，但是现有的电极线在作用上，因为其需要兼容性，所以采用的是普通电极线，电极线和脑电极是分开的，所以在脑电信号传输上，中间因为有其它的连接点，所以容易受到干扰；
其次，现有电极线因为脑电极和线路是需要进行二次连接，不是一体的，必定存在外接干扰，只要有连接点，就存在产生干扰信号，因为电极需要保证足够小和足够稳定，所以现有技术中，在进行信号放大之后，会直接进行传输，这放大的信号就会将干扰信号融合到原来的传输信号，就会导致信号不准确；
在滤波处理方面，现有技术多通过脑电图设备进行处理，在这个处理过程中，因为干扰信号已经和传输信号融合，就会导致干扰信号无法完全避免；而如果在传输端进行传输，因为现有技术的脑电极和传输线路分开，所以无法规避产生干扰信号，也无法屏蔽干扰信号，所以无法抑制共模损失，如果设置单独的损失抑制电路，会导致线路增大，不适合现有的应用场景。
因此，现有技术中是缺少具备电极和电极线一体的技术，同时能够进行信号同步传输的数据线，很容易收到外界干扰。
发明内容
本发明提供一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，用以解决背景技术的情况。
本申请提出一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，所述：
通过金杯电极线的电极端检测接入生物电信号；
将生物电信号通过金杯电极线的生物电放大器通道进行处理，获取处理后的目标信号；其中，
生物电放大器通道具备固定放大增益和齐纳电压界限值；
根据固定放大增益，对生物电信号进行放大处理；
根据齐纳电压界限值，滤除生物电信号中超过齐纳电压的信号。
优选的，所述生物电放大器通道由运算放大器构成；其中，
运算放大器包括：第一级放大器、屏蔽驱动器、第二级放大器和有源陷波器。
优选的，所述生物电放大器通道的屏蔽驱动放大器连接有限流电阻，限流电阻用于限制流经输人导联的电流。
优选的，所述第一级放大器的输入端并联有第一齐纳二极管和第二齐纳二极管，并生成齐纳电压界限值。
优选的，所述屏蔽驱动器的正极输出端和输入端分别连接第二电阻和第三电阻，第二电阻和第三电阻用于设定金杯电极线内屏蔽线内芯导线输人信号电压幅值；
屏蔽驱动器是一个单位增益缓冲器。
优选的，所述第一级放大器的负极输入端连接有第四电阻第五电阻；
第五电阻的另一端连接第一级放大器的输出端；
第四第电阻的另一端接地；
第五电阻并联第二电容，构成预设截止频率的低通滤波器。
优选的，所述第一级放大器的输出端连接第三电容，第三电容通过第七电阻将一级放大信号传输给第二级放大器；
优选的，所述第二级放大器的输出端通过串联的第五电容、第十电阻和第十一电阻连接有源陷波器的正极输入端。
优选的，所述有源陷波器的正极输入端和输出端连接有串联的第八电容和第十二电阻；
第十二电阻为可变电阻，第十二电阻将陷波频率设置为电力线交流电的频率。
优选的，所述屏蔽驱动放大器的输入端还连接有第一电阻，屏蔽驱动放大器的征集输出端连接有第一电容；
第一电容并联第一齐纳二极管和第二齐纳二极管。
本申请的有益效果在于：
本发申请实施的时候，其中的每个生物电放大器通道都具有高输人阻抗、ESD保护、限流及除颤保护等特性。并且，具有单独的屏蔽驱动用于保护每个输人导联免受外界噪声的干扰。
各通道在规定的0.2～100Hz带宽内具有固定的1000倍放大增益。单端放大器的主要优点就是电路结构简单，索然存在共模信号抑制性能的损失。但是本申请结合其他抑制共模信号的方法，解决了单端放大器信号损失的问题。还通过固定放大增益和齐纳电压的超限处理，实现了信号的放大，而且，还能够实现陷波频率的调节。
整个系统的性能主要由其输人电路决定，等效输人噪声其实就是第一级放大器的噪声，在放大器的-3dB带宽0.2～100Hz范围内噪声电压的峰峰值约为10μV。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法的流程图；
图2为本发明实施例中的金杯电极线生物电放大器的组成电路；
图3为本发明实施例中结构组成图；
图4为本发明实施例中金杯电极线组成原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请提出一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，所述：
通过金杯电极线的电极端检测接入生物电信号；
将生物电信号通过金杯电极线的生物电放大器通道进行处理，获取处理后的目标信号；其中，
生物电放大器通道具备固定放大增益和齐纳电压界限值；
根据固定放大增益，对生物电信号进行放大处理；
根据齐纳电压界限值，滤除生物电信号中超过齐纳电压的信号。
上述技术方案的工作原理为：
本发明提出了一种金杯电极线，由金杯电极和传输信号的信号层和屏蔽层构成的电极线构成，如附图2所示；金杯电极线的电路如附图3所示。电路原理图介绍了从2片TL064四运算放大器芯片各取2个运算放大器构建一个放大器通道的方法，2片芯片共可构建2个通道。8个这种双通道电路就可以构成具有16个相同通道的生物电放大器。
如附图1所示，本发申请实施的时候，其中的每个生物电放大器通道都具有高输人阻抗、ESD保护、限流及除颤保护等特性。并且，具有单独的屏蔽驱动用于保护每个输人导联免受外界噪声的干扰。
各通道在规定的0.2～100Hz带宽内具有固定的1000倍放大增益。单端放大器的主要优点就是电路结构简单，不存在共模信号抑制性能的损失。
但是本申请结合抑制共模信号的方法，解决了单端放大器信号损失的问题。还通过固定放大增益和齐纳电压的超限处理，实现了信号的放大，而且，还能够实现陷波频率的调节。本申请最主要的点是通过根据齐纳电压界限值，滤除生物电信号中超过齐纳电压的信号，这样一来，不仅能实现滤除干扰，也就不存在共模损失，也就不需要进行共模抑制处理。
整个系统的性能主要由其输人电路决定，等效输人噪声其实就是第一级放大器的噪声，在放大器的-3dB带宽0.2～100Hz范围内噪声电压的峰峰值约为10μV。
优选的，所述生物电放大器通道由运算放大器构成；其中，
运算放大器包括：第一级放大器U2、屏蔽驱动器U1、第二级放大器U3和有源陷波器U4。
上述技术方案的原理在于：
本发明通过第一级放大器U2、屏蔽驱动器U1、第二级放大器U3和有源陷波器U4,可以实现生物电信号的生物信号放大，稳定驱动电路，生物信号滤波。
优选的，所述生物电放大器通道的屏蔽驱动器U1连接有限流电阻R1，限流电阻R1用于限制流经输人导联的电流。
上述技术方案的原理在于：
限流电阻R1用于限制流经输人导联的电流。
优选的，所述第一级放大器U2的输入端并联有第一齐纳二极管D1和第二齐纳二极管D2，并生成齐纳电压界限值。
上述技术方案的原理在于：
并联的齐纳二极管D1，和D2，齐纳电压界限值将所有超过其齐纳电压的信号都旁路至接地点，从而保护放大器的输人级免受静电干扰和心脏除颤期间所产生的高电压的影响，也保护人体免受放大器及其相关电路反向流入人体的漏电流的伤害。
优选的，所述屏蔽驱动器U1的正极输出端和输入端分别连接第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2和第三电阻R3用于设定金杯电极线内屏蔽线内芯导线输人信号电压幅值；
屏蔽驱动器U1是一个单位增益缓冲器。
上述技术方案的原理在于：
屏蔽驱动器U1是一个单位增益缓冲器。不过，实际驱动电压的大小由电阻R2和R3决定，被设定为屏蔽线内芯导线输人信号电压幅值的99％，以便稳定驱动电路，该驱动电压同时将输人电缆线的有效电容减小两个数量级。
优选的，所述第一级放大器U2的负极输入端连接有第四电阻R4和第五电阻R5；
第五电阻R5的另一端连接第一级放大器U2的输出端；
第四第电阻R4的另一端接地；
第五电阻R5并联第二电容C2，构成预设截止频率的低通滤波器。
上述技术方案的原理在于：
第一级放大器U2的增益为G1＝1+R5/R4＝11第二电容C2与第五电阻R5一起构成-3dB截止频率为160Hz的低通滤波器，以便稳定放大器的工作状态。另外，第一电阻R1和电容C1(加上第一齐纳二极管D1和第二齐纳二极管D2的电容)也构成一个低通滤波器，进一步抑制电路的振荡和高频噪声。
优选的，所述第一级放大器U2的输出端连接第三电容C3，第三电容C3通过第七电阻R7将一级放大信号传输给第二级放大器U3；
上述技术方案的原理在于：
第一级放大器U2的输出信号经过C3和R13构成的-3dB截止频率为0.16Hz的高通滤波器，再进人第二级放大器U3。
优选的，所述第二级放大器U3的输出端通过串联的第五电容C5、第十电阻R10和第十一电阻R11连接有源陷波器的正极输入端。
优选的，所述有源陷波器U4的正极输入端和输出端连接有串联的第八电容C8和第十二电阻R12；
第十二电阻R12为可变电阻，第十二电阻R12将陷波频率设置为电力线交流电的频率。
优选的，所述屏蔽驱动器U1的输入端还连接有第一电阻R1，屏蔽驱动放大器的正极输出端连接有第一电容C1；
上述技术方案的原理在于：每个通道有一个有源陷波器，调节可变电阻R12可以将陷波频率设置为电力线交流电的频率。该电路的电源电压必须正负对称，大小要在±(5～18)V范围之内。由于电路的功耗很小，因此用两节9V碱性电池作为电源就可以了。电容C9～C12(电路中未显示)用于电源去耦并滤除运放电源线上的噪声。
为了尽可能减小电气干扰，PCB的布局必须非常紧凑。虽然这种电路的制作并不难，但是请务必注意尽可能使连接线路短而整齐。电路与电极之间的连接导线要用低损耗的同轴电缆线，电缆的屏蔽层要与连接器J1上各自相应的屏蔽驱动相连，如附图3所示，电路的接地端必须与人体的参考接地电极相连。记住，如果要将电路连接到人体上，电路的电源必须使用电池或者用具有合适额定电压的隔离电源。放大器各个通道的输出端同样必须采取隔离措施。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过金杯电极线的电极端检测接入生物电信号；
将生物电信号通过金杯电极线的生物电放大器通道进行处理，获取处理后的目标信号；其中，
生物电放大器通道具备固定放大增益和齐纳电压界限值；
根据固定放大增益，对生物电信号进行放大处理；
根据齐纳电压界限值，滤除生物电信号中超过齐纳电压的信号。
2.如权利要求1所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述生物电放大器通道由运算放大器构成；其中，
运算放大器包括：第一级放大器(U2)、屏蔽驱动器(U1)、第二级放大器(U3)和有源陷波器(U4)。
3.如权利要求2所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述生物电放大器通道的屏蔽驱动器(U1)连接有限流电阻(R1)，限流电阻(R1)用于限制流经输人导联的电流。
4.如权利要求3所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述第一级放大器(U2)的输入端并联有第一齐纳二极管(D1)和第二齐纳二极管(D2)，并生成齐纳电压界限值。
5.如权利要求2所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述屏蔽驱动器(U1)的正极输出端和输入端分别连接第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)用于设定金杯电极线内屏蔽线内芯导线输人信号电压幅值；
屏蔽驱动器(U1)是一个单位增益缓冲器。
6.如权利要求2所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述第一级放大器(U2)的负极输入端连接有第四电阻(R4)第五电阻(R5)；
第五电阻(R5)的另一端连接第一级放大器(U2)的输出端；
第四第电阻(R4)的另一端接地；
第五电阻(R5)并联第二电容(C2)，构成预设截止频率的低通滤波器。
7.如权利要求2所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述第一级放大器(U2)的输出端连接第三电容(C3)，第三电容(C3)通过第七电阻(R7)将第一级放大器(U2)信号传输给第二级放大器(U3)。
8.如权利要求7所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述第二级放大器(U3)的输出端通过串联的第五电容(C5)、第十电阻(R10)和第十一电阻(R11)连接有源陷波器(U4)的正极输入端。
9.如权利要求8所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述有源陷波器(U4)的正极输入端和输出端连接有串联的第八电容(C8)和第十二电阻(R12)；
第十二电阻(R12)为可变电阻，第十二电阻(R12)将陷波频率设置为电力线交流电的频率。
10.如权利要求2所述的一种通过金杯电极线的屏蔽电路进行信号处理的方法，其特征在于，所述屏蔽驱动器(U1)的输入端还连接有第一电阻(R1)，屏蔽驱动器(U1)的正极输出端连接有第一电容(C1)；
第一电容(C1)并联第一齐纳二极管(D1)和第二齐纳二极管(D2)。
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