CN219250199U - 信号放大装置和信号放大设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种信号放大装置和信号放大设备。通过初级放大电路对获取的输入信号进行放大后输出放大信号，然后通过第一陷波滤波电路对放大信号进行滤波后输出第一滤波信号，进而通过低通滤波电路对第一滤波信号进行低通滤波后输出第二滤波信号，通过第二陷波滤波电路对二滤波信号进行滤波后输出第三滤波信号，再通过输出电路对第三滤波信号进行滤波得到输出信号。由此，可以实现对输入信号进行放大，同时有效抑制输入信号中交流电干扰，并降低使用成本。

Description

信号放大装置和信号放大设备

技术领域

本实用新型涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种信号放大装置和信号放大设备。

背景技术

脑电图(Electroencephalogram,EEG)是通过高性能的的电子仪器，将脑部的自发性生物电位放大后进行记录所获得的图形，是通过电极记录脑细胞群的自发性、节律性的电位活动。通常情况下，脑电信号传导至皮肤表面会形成幅度为1-10μV，频率在2-30Hz的电位波动，需要对脑电信号进行放大进行记录。

在现有技术中，对脑电信号进行放大时均采用仪表放大器，且检测电极与仪表放大器的同相输入端连接，参考电极与仪表放大器的反相输入端连接，以使得对脑电信号进行差分放大，然后将放大后的脑电信号通过一个陷波滤波器进行滤波得到输出信号。

第一方面，高性能的仪表放大器价格昂贵且不易获取；第二方面，参考电极可能受到环境影响，导致共模抑制效果不佳；第三方面，通过一个陷波滤波器进行滤波无法有效滤除脑电信号中的干扰信号。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种信号放大装置和信号放大设备，可以实现对输入信号进行放大，同时有效抑制输入信号中干扰信号，并降低使用成本。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种信号放大装置，所述信号放大装置包括：

初级放大电路，被配置为对输入信号进行放大，输出放大信号；

第一陷波滤波电路，与所述初级放大电路连接，被配置为对所述放大信号进行滤波，输出第一滤波信号；

低通滤波电路，与所述陷波滤波电路连接，被配置为对所述第一滤波信号进行低通滤波，输出第二滤波信号；

第二陷波滤波电路，与所述低通滤波电路连接，被配置为对所第二滤波信号进行滤波，输出第三滤波信号；以及

输出电路，与所述第二陷波滤波电路连接，被配置为对所述第三滤波信号进行滤波，得到输出信号。

在一些实施例中，所述初级放大电路包括第一输入端，第二输入端和运算放大器，所述第一输入端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述第二输入端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放大器的输出端连接到所述第一陷波滤波电路；

其中，所述第一输入端被配置为接收所述输入信号，所述第二输入端接地，所述运算放大器被配置为对所述输入信号进行放大，输出所述放大信号。

在一些实施例中，所述初级放大电路还包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接在所述第二输入端和所述运算放大器的反相输入端之间，所述第二电阻连接在所述第一电阻和所述运算放大器的输出端之间。

在一些实施例中，所述输出电路包括：

高通滤波电路，与所述第二陷波滤波电路连接，被配置为对所述第三滤波信号进行高通滤波，输出第四滤波信号。

在一些实施例中，所述输出电路还包括：

直流偏置产生电路，被配置为提供预定的偏置信号；

加法电路，与所述高通滤波电路和直流偏置产生电路连接，被配置为将所述第四滤波信号和所述偏置信号叠加，得到输出信号。

在一些实施例中，所述高通滤波电路包括滤波子电路和放大子电路，所述滤波子电路连接在所述第二陷波滤波电路和所述放大子电路之间，所述放大子电路连接到所述加法电路；

其中，所述滤波子电路被配置为对所述第三滤波信号进行高通滤波，所述放大子电路被配置为对高通滤波后的第三滤波信号进行放大，输出第四滤波信号。

在一些实施例中，所述第一陷波滤波电路和所述第二陷波滤波电路为双T型陷波滤波器。

在一些实施例中，所述低通滤波电路为三阶巴特沃斯低通滤波器。

在一些实施例中，所述信号放大装置还包括：

供电电路。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种信号放大设备，设施信号放大设备包括：

信号采集装置，被配置为获取输入信号，通过第一输入端将所述输入信号发送至信号放大装置；以及

如第一方面所述的信号放大装置。

本实用新型实施例通过初级放大电路对获取的输入信号进行放大后输出放大信号，然后通过第一陷波滤波电路对放大信号进行滤波后输出第一滤波信号，进而通过低通滤波电路对第一滤波信号进行低通滤波后输出第二滤波信号，通过第二陷波滤波电路对二滤波信号进行滤波后输出第三滤波信号，再通过输出电路对第三滤波信号进行滤波得到输出信号。由此，可以实现对输入信号进行放大，同时有效抑制输入信号中交流电干扰，并降低使用成本。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本实用新型一个实施例的信号放大设备的示意图；

图2是本实用新型一个实施例中信号放大装置的示意图；

图3是本实用新型一个实施例中初级放大电路的电路图；

图4是本实用新型一个实施例中第一陷波滤波电路的电路图；

图5是本实用新型一个实施例中低通滤波电路的电路图；

图6是本实用新型一个实施例中第二陷波滤波电路的电路图；

图7是本实用新型一个实施例中高通滤波电路的电路图；

图8是本实用新型一个实施例中加法电路的电路图；

图9是本实用新型一个实施例中直流偏置产生电路的电路图；

图10是本实用新型一个实施例中供电电路的电路图；

图11是本实用新型一个实施例中信号放大装置的电路图；

图12是本实用新型一个实施例中输出信号的示意图；

图13是本实用新型一个实施例中输出信号的示意图；

图14是本实用新型一个实施例中输出信号的示意图；

图15是一个对比例中对比输出信号和实际输出信号的示意图；

图16是一个对比例中对比放大电路的示意图；

图17是一个对比例中对比输出信号和实际输出信号的示意图；

图18是一个对比例中对比肌电输出信号的示意图；

图19是一个对比例中对比输出信号的示意图；

图20是一个对比例中对比输出信号的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本实用新型一个实施例的信号放大设备的示意图。如图1所示，本实施例的信号放大设备包括信号采集装置3和多个信号放大装置，所述多个信号放大装置包括信号放大装置1和信号放大装置2。其中，信号采集装置3分别与信号放大装置1、信号放大装置2连接。

在本实施例中，信号采集装置3包括检测电极，用于获取输入信号，所述输入信号包括脑电信号。进一步地，信号采集装置3将输入信号发送至信号放大装置1或信号放大装置2，由信号放大装置1或信号放大装置2对输入信号进行滤波和放大，得到脑电输出信号。

在一些可选的实施例中，所述输入信号包括脑电信号和肌电信号。则信号采集装置3可以将脑电信号发送至信号放大装置1，同时将肌电信号发送至信号放大装置2。信号放大装置1和信号放大装置2分别对脑电信号和肌电信号进行滤波和放大，得到脑电输出信号和肌电输出信号。由此，可以通过放大装置1和2形成双通道的信号放大器，并且信号放大设备可以同时对脑电信号和肌电信号进行处理。

应理解，本实用新型以输入信号包括脑电信号和肌电信号为例进行说明，但本实用新型对输入信号的类型不做限制，所述输入信号还可以包括皮电信号、心电信号、眼电信号等。进一步地，本实用新型以信号放大设备包括信号放大装置1和信号放大装置2为例进行说明，但本实用新型对信号放大装置的数量不做限制，信号放大装置可以为一个，也可以为多个。同时，本实用新型以信号采集装置3包括检测电极为例进行说明，信号采集装置3还可以包括Ref(Reference Electrode,参考电极),接地电极GND(Ground,接地)，本实用新型对此同样不做限制。

在如下的描述中，以输入信号为脑电信号为例进行说明。

在一些可选的实施例中，信号放大设备还包括单片机，所述单片机与信号放大装置1、信号放大装置2连接，用于记录信号放大装置1和2的输出信号。所述单片机例如STM32单片机。具体地，单片机接收到输出信号后，可以通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)将输出信号转换为数字形式的离散信号进行记录。

进一步地，图2是本实用新型一个实施例中信号放大装置的示意图。如图2所示，本实施例的信号放大装置1包括初级放大电路11、第一陷波滤波电路12、低通滤波电路13、第二陷波滤波电路14和输出电路15。

在本实施例中，初级放大电路11连接在信号采集装置3和第一陷波滤波电路12之间，第一陷波滤波电路12连接到低通滤波电路13，第二陷波滤波电路14连接在低通滤波电路13和输出电路15之间。

在本实施例中，输出电路15包括高通滤波电路、直流偏置产生电路和加法电路。所述高通滤波电路连接在第二陷波滤波电路14和所述加法电路之间，所述加法电路与所述直流偏置产生电路连接。

在本实施例中，信号放大装置1还包括供电电路，供电电路可以为信号放大装置1中各电路供电。

在本实施例中，初级放大电路11接收到信号采集装置3发送的输入信号，对输入信号进行放大，输出放大信号。然后第一陷波滤波电路12对放大信号进行滤波，输出第一滤波信号。进而低通滤波电路13对第一滤波信号进行低通滤波，输出第二滤波信号。通过第二陷波滤波电路14对第二滤波信号进行滤波，输出第三滤波信号。进一步地，高通滤波电路对第三滤波信号进行高通滤波，输出第四滤波信号。再通过直流偏置产生电路提供预定的偏置信号，由加法电路将第四滤波信号和偏置信号叠加，得到输出信号。由此，信号放大设备可以对输入信号进行处理以得到输出信号。

本实用新型实施例公开了一种信号放大装置和信号放大设备。通过初级放大电路对输入信号进行放大，输出放大信号，然后通过第一陷波滤波电路对放大信号进行滤波，输出第一滤波信号，进而通过低通滤波电路对第一滤波信号进行低通滤波，输出第二滤波信号，通过第二陷波滤波电路对二滤波信号进行滤波，输出第三滤波信号，再通过输出电路对第三滤波信号进行滤波，得到输出信号。由此，可以实现对输入信号进行放大，同时有效抑制输入信号中交流电干扰，并降低使用成本。

图3是本实用新型一个实施例中初级放大电路的电路图。如图3所示，本实施例的初级放大电路11包括第一输入端11a、第二输入端11b、电阻R1、电阻R2和运算放大器OPA1。

在本实施例中，第一电阻为电阻R1，第二电阻为电阻R2。在如下的描述中，电阻R1即第一电阻，电阻R2即第二电阻。

在现有技术中，由于运算放大器均采用仪表放大器价格昂贵，并且高性能的仪表放大器不易获取，所述仪表放大器例如型号为INA128的高性能的仪表放大器。针对这种情况，本实用新型信号放大装置1中多个运算放大器均采用通用的运算放大器即可实现输入信号的放大，所述通用的运算放大器例如型号为GS6004的运算放大器、型号为MCP6004的运算放大器等。

在如下的描述中，运算放大器即型号为GS6004的运算放大器。

在本实施例中，第一输入端11a与信号采集装置3的检测电极连接，同时，第一输入端11a连接到运算放大器OPA1的同相输入端。

第二输入端11b接地，同时第二输入端11b连接到运算放大器OPA1的反相输入端。

电阻R1连接在第二输入端11b和运算放大器OPA1的反相输入端之间。

电阻R2连接在电阻R1和运算放大器OPA1输出端11c之间。

在本实施例中，第一输入端11a接收到信号采集装置3的输入信号，将输入信号经过运算放大器OPA1进行放大，通过运算放大器OPA1输出端11c输出放大信号。

在一些可选的实施例中，电阻R1的阻值可以设置为1kΩ、电阻R2的阻值可以设置为100kΩ。由此，放大倍数为101倍。

在现有技术中，由于检测电极与仪表放大器的同相输入端连接，参考电极与仪表放大器的反相输入端连接，而参考电极的电位容易受到环境影响而浮动，需要较高的共模抑制比。针对这种情况，本实用新型通过运算放大器OPA1的同相输入端通过第一输入端11a与检测电极相连，反相输入端通过第二输入端11b接地。由此，可以避免环境影响导致第二输入端11b电位浮动问题，对共模抑制比没有要求。

进一步地，图4是本实用新型一个实施例中第一陷波滤波电路的电路图。如图4所示，本实用新型的第一陷波滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器OPA2和运算放大器OPA3。

在本实施例中，电容C1一端连接到运算放大器OPA1的输出端11c，可以接收到初级放大电路11输出的放大信号，电容C1另一端连接到电容C2。

电容C2一端连接到电容C1，电容C2另一端连接到运算放大器OPA2的同相输入端。

电阻R3连接在运算放大器OPA1输出端11c和电阻R4之间，可以接收到初级放大电路11输出的放大信号。

电阻R4一端连接到电阻R3，电阻R4另一端连接到运算放大器OPA2的同相输入端。其中，电容C1、电容C2和电阻R3、电阻R4并联。

电容C4一端连接到电阻R3和电阻R4之间的节点，电容C4另一端连接到运算放大器OPA3的输出端。

电容C3一端连接到电阻R3和电阻R4之间的节点，电容C3另一端连接到运算放大器OPA3的输出端。其中，电容C3和电容C4并联。

电阻R5一端连接到电容C1和电容C2之间的节点，电阻R5另一端连接到运算放大器OPA3的输出端。

电阻R6一端连接到运算放大器OPA2的输出端，电阻R6另一端连接到电阻R7。

电阻R7连接在电阻R6和接地端之间。

运算放大器OPA2的反相输入端连接到电阻R6，运算放大器OPA2的输出端与低通滤波电路13连接，可以输出第一滤波信号。

运算放大器OPA3的反相输入端连接到运算放大器OPA3输出端和电阻R5之间的节点，运算放大器OPA3的同相输入端连接到电阻R6和电阻R7之间的节点。

在本实施例中，由于信号采集装置3在获取脑电信号的过程中，人体会受到环境干扰产生干扰信号。也就是说，脑电信号包含频率为50HZ或60HZ的交流电干扰信号。针对这种情况，本实用新型通过第一陷波滤波电路对放大信号进行滤波，可以滤除放大信号中频率为50HZ或60HZ的干扰信号。具体地，第一陷波滤波电路包括双T型RC滤波子电路。所述双T型RC滤波子电路由电容C1、C2、C3、C4和电阻R3、R4、R5构成。进一步地，所述双T型RC滤波子电路包括RC低通滤波子电路和RC高通滤波子电路，所述RC低通滤波子电路和RC高通滤波子电路并联。其中，电容C1、C2和电阻R5构成RC高通滤波子电路，电阻R3、R4和电容C3、C4构成RC低通滤波子电路。

举例来说，假设RC低通滤波子电路的截止频率为f1，RC高通滤波子电路的截止频率为f2，且f1小于f2。当双T型RC滤波子电路接收到初级放大电路11输出的放大信号时，对于频率小于f1的部分放大信号可以从RC低通滤波子电路通过，对于频率大于f1的部分放大信号可以从RC高通滤波子电路通过，对于频率在f1和f2之间的部分放大信号被阻断。由此，第一陷波滤波电路通过双T型RC滤波电路可以滤除频率为50HZ或60HZ的干扰信号。

在本实施例中，双T型RC滤波电路为无源型双T电路，由于输出阻抗较大，容易受到电路中前后级元器件的影响。针对这种情况，本实用新型在双T型RC滤波电路的基础上增加运算放大器OPA2和运算放大器OPA3以及反馈电阻构成有源双T型陷波器，也即第一陷波滤波电路12。所述反馈电阻包括电阻R6和电阻R7，同时将反馈比值设置为70％。所述反馈比值为电阻R7与电阻R6、电阻R7之和的比值。进一步地，第一陷波滤波电路12对放大信号进行滤波后，通过运算放大器OPA2的输出端输出第一滤波信号。

在本实施例中，第一陷波滤波电路12可以为双T型陷波滤波器，例如型号为micro-tronics的陷波滤波器。

在一些可选的实施例中，电阻R3和电阻R4的阻值可以设置为15kΩ。电阻R5的阻值可以设置为7.5kΩ。电阻R6的阻值可以设置为22kΩ。电阻R7的阻值可以设置为51kΩ。电容C1、电容C2、电容C3和电容C4可以设置为220nF。此时，第一陷波滤波电路12的反馈比值为69.86％，陷波深度为106dB，可以滤除放大信号中频率为50HZ的干扰信号。

在本实施例中，由于脑电信号的频率通常在2-30Hz的电位波动，针对这种情况，本实用新型实施例在对放大信号进行滤波得到第一滤波信号后，将第一滤波信号输入低通滤波电路13进行低通滤波，以得到第二滤波信号。其中，低通滤波电路13可以为三阶巴特沃斯低通滤波器。低通滤波电路13的电路图可如图5所示。参照图5，本实施例的低通滤波电路13包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5、电容C6、电容C7、和运算放大器OPA4。

在本实施例中，电阻R8连接在运算放大器OPA2的输出端和电阻R9之间，可以接收到第一陷波滤波电路12输出的第一滤波信号。

电阻R9连接在电阻R8和电阻R10之间。

电阻R10一端连接到电阻R9，电阻R10另一端连接到运算放大器OPA4的同相输入端。

电容C5一端连接到电阻R9和电阻R10之间的节点，电容C5另一端连接到运算放大器OPA4的输出端和反相输出端的节点。

电容C6一端连接到电阻R8和电阻R9之间的节点，电容C6另一端接地。

电容C7一端连接到电阻R10和运算放大器OPA4同相输入端之间的节点，电容C7另一端连接到电容C6和接地端之间的节点。

运算放大器OPA4的输出端与第二陷波滤波电路14连接，可以输出第二滤波信号。

在一些可选的实施例中，电阻R8的阻值可以设置为12kΩ。电阻R9的阻值可以设置为100kΩ。电阻R10的阻值可以设置为33kΩ。电容C5可以设置为220nF。电容C6可以设置为470nF。电容C7可以设置为33nF。

在一些可选的实施例中，可以将低通滤波电路13的截止频率设置为30HZ。由此，将第一滤波信号输入低通滤波电路13后，运算放大器OPA4的输出端输出频率在0-30HZ之间的第二滤波信号。

在现有技术中，仅通过一个陷波滤波器进行滤波无法有效滤除脑电信号中的干扰信号，针对这种情况，本实用新型实施例通过两个陷波滤波电路对脑电信号进行滤波。具体地，先通过第一陷波滤波电路12对放大信号进行滤波输出第一滤波信号，在低通滤波电路13将第一滤波信号低通滤波输出第二滤波信号后，将第二滤波信号输入第二陷波滤波电路14输出第三滤波信号。由此，通过两个陷波滤波电路可以效滤除脑电信号中的干扰信号。第二陷波滤波电路14的电路结构可参照图6所示。在图6中，第二陷波滤波电路14包括电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、运算放大器OPA7和运算放大器OPA8。

在本实施例中，第二陷波滤波电路14中元器件连接方式与图4所示的实施例相同，本实用新型在此不再赘述。

在一些可选的实施例中，电阻R21和电阻R22的阻值可以设置为15kΩ。电阻R23的阻值可以设置为7.5kΩ。电阻R24的阻值可以设置为22kΩ。电阻R25的阻值可以设置为51kΩ。电容C12、电容C13、电容C14和电容C15可以设置为220nF。此时，第一陷波滤波电路12的反馈比值为69.86％，陷波深度为106dB，可以滤除放大信号中频率为50HZ的干扰信号。

在本实施例中，在对第二滤波信号进行滤波输出第三滤波信号后，将第三滤波信号输入输出电路15进行滤波得到输出信号。其中，输出电路15包括高通滤波电路、直流偏置产生电路和加法电路，所述高通滤波电路与第二陷波滤波电路14连接，所述加法电路与所述高通滤波电路和直流偏置产生电路连接。具体地，先通过高通滤波电路对第三滤波信号进行高通滤波输出第四滤波信号，由直流偏置产生电路提供预定的偏置信号，再通过加法电路将第四滤波信号和所述偏置信号叠加，得到输出信号。

在本实施例中，高通滤波电路、加法电路和直流偏置产生电路可以采用如图7、图8和图9中所示的电路，也可以采用现有技术中的电路结构，由此，能够提高信号放大装置的普适性和兼容性，有利于扩大信号放大装置1的使用范围。

首先参照图7，图7是本实用新型一个实施例中高通滤波电路的电路图。如图7所示，高通滤波电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C8、电容C9、电位器RP1和运算放大器OPA5。

在本实施例中，电容C8一端连接到运算放大器OPA7的输出端，可以接收运算放大器OPA7输出的第三滤波信号，电容C8另一端连接到运算放大器OPA5的同相输入端，可以接收第三滤波信号。

电阻R11一端连接到电容C8和运算放大器OPA5的同相输入端之间的节点，电阻R11另一端接地。

电容C9一端连接到运算放大器OPA5的反相输入端，电容C9另一端连接到运算放大器OPA5的输出端。

电阻R12一端连接到运算放大器OPA5的反相输入端，电容C9另一端连接到运算放大器OPA5的输出端。其中，电阻R12与电容C9并联。

电阻R13连接在运算放大器OPA5的反相输入端和电位器RP1之间，电位器RP1另一端接地。

运算放大器OPA5的输出端连接到加法电路，可以输出第四滤波信号。

在本实施例中，高通滤波电路包括滤波子电路和放大子电路。其中，滤波子电路包括电容C8和电阻R11。放大子电路包括电容C9、电阻R12、电阻R13、电位器RP1和运算放大器OPA5。进一步地，滤波子电路连接在第二陷波滤波电路14和放大子电路之间，放大子电路连接到加法电路。其中，滤波子电路用于对所述第三滤波信号进行高通滤波，放大子电路用于对高通滤波后的第三滤波信号进行放大，输出第四滤波信号。

在一些可选的实施例中，电阻R11的阻值可以设置为15kΩ。电阻R12的阻值可以设置为100kΩ。电阻R13的阻值可以设置为220kΩ。电容C8可以设置为10uF。电容C9可以设置为10nF。

在一些可选的实施例中，可以设置电位器RP1的阻值确定放大子电路对高通滤波后的第三滤波信号的放大倍数。例如，将电位器RP1的阻值设置为1KΩ，则放大子电路对高通滤波后的第三滤波信号的放大倍数为101倍。

在一些可选的实施例中，由于第三滤波信号频率在0-30HZ之间，可以将高通滤波电路的截止频率设置为1Hz。由此，将第三滤波信号输入高通滤波电路后，可以得到频率在2-30HZ之间的第四滤波信号。

然后参考图8，图8是本实用新型一个实施例中加法电路的电路图。如图8所示，本实施例的加法电路包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19和运算放大器OPA6。

在本实施例中，电阻R15一端连接到运算放大器OPA5的输出端，可以接收第四滤波信号，电阻R15另一端连接到运算放大器OPA6的同相输入端。

电阻R16一端连接到直流偏置产生电路，可以接收直流偏置产生电路提供预定的偏置信号，电阻R16另一端连接到运算放大器OPA6的同相输入端。其中，电阻R15和电阻R16并联。

电阻R17一端连接到运算放大器OPA6的输出端，电阻R17另一端可以连接到单片机，可以将输出信号发送至单片机，由单片机对输出信号进行记录。

电阻R19一端连接到电阻R19和运算放大器OPA6之间的节点，电阻R19另一端连接到电阻R18，电阻R18另一端接地。

运算放大器OPA6的反相输入端连接到电阻R18和电阻R19之间的节点。

在本实施例中，加法电路将第四滤波信号和偏置信号叠加，得到输出信号。

在一些可选的实施例中，电阻R15的阻值可以设置为10kΩ。电阻R16的阻值可以设置为10kΩ。电阻R17的阻值可以设置为1kΩ。电阻R18的阻值可以设置为10kΩ。电阻R19的阻值可以设置为10kΩ。

进一步地，参考图9，图9是本实用新型一个实施例中直流偏置产生电路的电路图。如图9所示，直流偏置产生电路包括电位器RP2和运算放大器OPA9。

在本实施例中，电位器RP2一端连接到运算放大器OPA9的同相输入端，电位器RP2另一端接地。

运算放大器OPA9的反相输入端连接到输出端，运算放大器OPA9的输出端连接到加法电路中电阻R16，可以输出预定的偏置信号。

在一些可选的实施例中，直流偏置产生电路和加法电路构成信号直流偏置电路。也就是说，将第四滤波信号输入所述信号直流偏置电路后，由直流偏置产生电路生成偏置信号，然后通过加法电路将第四滤波信号和所述偏置信号相叠加，得到输出信号。

在一些可选的实施例中，电位器RP2的阻值可以设置为100kΩ。

在一些可选的实施例中，电源电压VCC可以为3.3V。

在一些可选的实施例中，直流偏置产生电路提供预定的偏置信号可以为1V，以使得加法电路将第四滤波信号和偏置信号叠加后得到的输出信号的电压在0-3.3V之间。进一步地，将加法电路连接到单片机，由单片机对输出信号进行记录。由此，脑电信号处理完成。

在本实施例中，信号放大装置1还包括供电电路，图10是本实用新型一个实施例中供电电路的电路图。参照图10，电源电压VCC连接到电荷泵芯片的输入管脚IN，同时电源电压VCC通过电阻R20连接到电荷泵芯片的使能管脚EN，通过电荷泵芯片的输出管脚OUT输出对应的信号作为信号放大装置1中多个运算放大器的负电源。其中，电源电压VCC可以作为信号放大装置1中多个运算放大器的正电源。

在一些可选的实施例中，电荷泵芯片可以为型号SGM3204芯片。SGM3204芯片是一款电荷泵电压逆变器，具有较宽的输出电流范围，输出电流可以达到200mA。同时，SGM3204芯片转换效率较高，所述转换效率较高在80％以上。并且SGM3204芯片体积较小，能够减小信号放大装置1整体体积。

在一些可选的实施例中，电源电压VCC可以为3.3V，则所述负电源的电压为-3.3V。具体地，可以通过3.7V锂聚合物电池经LDO芯片(Low Dropout regulator,低压差线性稳压器)降压到3.3V，以得到电源电压VCC。其中，所述LDO芯片采用电源抑制比(Power SupplyRejection Ratio，PSRR)作为稳压性能的指标。所述LDO芯片例如TPS7A4501芯片。TPS7A4501芯片是一款线性稳压芯器，引脚兼容性好，输入电压范围广，同时输出电压可调(1.21V～20V)，适合直接作为电流来源，且跌落电压小。

进一步地，将初级放大电路11、第一陷波滤波电路12、低通滤波电路13、第二陷波滤波电路14和输出电路15依次连接，可以得到信号放大装置1的电路图如图11所示。在图11中，信号放大装置的电路包括运算放大器OPA1、运算放大器OPA2、运算放大器OPA3、运算放大器OPA4、运算放大器OPA5、运算放大器OPA6、运算放大器OPA7和运算放大器OPA8，可以采用两个四运算放大器芯片来实现。

在本实施例中，运算放大器芯片可以采用GS8554-TR芯片。其中，GS8554-TR芯片是一款零漂移CMOS运算放大器，使用斩波稳定技术来提供非常低的失调电压。同时，随着时间推移和温度变化输入失调电压接近于零的漂移。且输入偏置电流极低，仅为20pA，也因此具有低失调电压，低功耗和高阻抗的性能。由此，通过使用GS8554-TR芯片对脑电信号进行处理，能够进一步提升信号放大装置1输出信号的品质。同时，GS8554-TR芯片的外围电路结构简单，占用面积小，能够进一步减小信号放大装置1整体体积，降低使用成本。

在一些可选的实施例中，信号放大装置1对获取的脑电信号处理后，通过单片机记录输出信号的示意图可如图12所示。参照图12，本实施例记录了患者睡眠时长为6小时的脑电输出信号。其中，信号放大装置1电路中平均电流约为2mA，功耗很低，采用500mAh电池为信号放大装置1和单片机供电可连续记录脑电输出信号的时长约15个小时。

在一些可选的实施例中，信号放大装置1对获取的脑电信号处理后，通过单片机记录输出信号的示意图可如图13所示。参照图13，本实施例记录了患者睡眠时长为12秒的脑电输出信号，不存在50Hz的交流电干扰。

在一些可选的实施例中，信号放大装置1对获取的肌电信号处理后，通过单片机记录输出信号的示意图可如图14所示。参照图14，本实施例记录了患者的肌电输出信号，不存在削波现象，且肌电输出信号动态范围较宽。

在一个对比例中，将图11示出的信号放大装置的电路中通用的运算放大器全部替换为高性能的运算放大器，以得到本对比例的第一信号放大装置。所述高性能的运算放大器例如型号为GS8554的运算放大器，失调电压约为1μV。并且型号为GS8554的运算放大器的失调电压比型号为GS6004的运算放大器低大约4000倍。通过检测电极将脑电输入信号同时输入信号放大装置1和本对比例的第一信号放大装置，则信号放大装置1输出对应的实际输出信号，本对比例的第一信号放大装置输出对应的对比输出信号。然后通过单片机分别记录所述实际输出信号和所述对比输出信号可参考图15。图15是一个对比例中对比输出信号和实际输出信号的示意图，如图15所示，对比输出信号15a和实际输出信号15b的波形几乎完全平行。由于高性能的运算放大器GS8554的失调电压较低，因此最终电压平均值更接近1V。但采用通用的运算放大器，也即型号为GS6004的运算放大器，可以采集到完全相同的波形。并且电压整体高低可以通过调节图9所示的直流偏置产生电路所提供预定的偏置信号以实现偏移校准。也就是说，用户可以根据需求调节电位器RP2的阻值，以实现实际输出信号15b的偏移校准。由此，信号放大装置1采用通用的运算放大器可以实现与采用高性能的运算放大器相同的脑电波形放大的效果。但是信号放大装置1全部采用高性能的运算放大器，也即型号为GS8554的运算放大器，使得整个电路的功耗上升，且整个电路的平均电流接近20mA，比采用通用的运算放大器的电路的平均电流高十倍，峰值电流甚至达到80mA，这对供电电路产生了很大的压力。有时会出现供电电路提供-3.3V电压不稳定的情况，这可能会在输出信号中引入额外的噪声和不稳定因素。进一步地，采用高性能的运算放大器，长时间工作时电路整体发热，患者佩戴体验欠佳。并且电池消耗也很快，500mAh的电池实际只能支持约4小时的连续记录。

在另一个对比例中，将图11示出的信号放大装置的电路中运算放大器全部替换为高性能的运算放大器，同时将初级放大电路11替换为对比放大电路，以得到本对比例的第二信号放大装置。其中，所述高性能的运算放大器例如型号为GS8554的运算放大器，所述对比放大电路包括仪表放大器，所述仪表放大器例如型号为INA128的仪表放大器，在如下的描述中，INA128芯片即型号为INA128的仪表放大器。进一步地，所述对比放大电路可参考图16。图16是一个对比例中对比放大电路的示意图。如图16所示，对比放大电路中INA128芯片的VIN-管脚接地。VIN+管脚与信号采集装置3的检测电极连接，用于获取输入信号。VO管脚与第一陷波滤波电路12连接，用于输出对比放大信号。通过检测电极将脑电输入信号同时输入信号放大装置1和本对比例的第二信号放大装置，则信号放大装置1输出对应的实际输出信号，本对比例的第二信号放大装置输出对应的对比输出信号。然后通过单片机分别记录所述实际输出信号和所述对比输出信号可参考图17。图17是一个对比例中对比输出信号和实际输出信号的示意图，如图17所示，对比输出信号17a和实际输出信号17b的波形几乎完全平行。进一步地，可通过调节电位器RP2来进行偏移校准。但是信号放大装置1将初级放大电路11替换为对比放大电路，所述对比放大电路包括仪表放大器，一方面，整个电路的功耗上升；另一方面，高性能的仪表放大器不易获取且价格昂贵。进一步地，通过检测电极将肌电输入信号输入本对比例的第二信号放大装置，则信号放大装置1输出对应的对比肌电输出信号，然后通过单片机记录所述对比肌电输出信号的示意图可参考图18。图18是一个对比例的对比肌电输出信号的示意图，如图18所示，由于对比肌电输出信号存在削波区域18a，导致对比肌电输出信号不完整。

在又一个对比例中，去除图11示出的信号放大装置的电路中第二陷波滤波电路14，也即仅通过一个陷波滤波电路进行滤波，以得到本对比例的第三信号放大装置。通过检测电极将脑电输入信号输入本对比例的第三信号放大装置，则本对比例的第三信号放大装置输出对应的对比输出信号。然后通过单片机记录所述对比输出信号的示意图可参考图19。图19是一个对比例的对比输出信号的示意图，如图19所示，只通过一个陷波滤波器无法有效消除50Hz交流电干扰，2-30Hz的脑电信号上明显叠加了一个幅度不小的50Hz干扰信号，导致无法对脑电波进行判读。

在再一个对比例中，将图11示出的信号放大装置的电路中第一陷波滤波电路12和第二陷波滤波电路14的反馈比值设置为90％，以得到本对比例的第四信号放大装置。例如，将第一陷波滤波电路12中电阻R6的阻值设置为10kΩ,同时将电阻R7的阻值设置为90kΩ，以得到对比陷波滤波电路。进一步地，通过检测电极将脑电输入信号输入本对比例的第四信号放大装置，则本对比例的第四信号放大装置输出对应的对比输出信号。然后通过单片机记录所述对比输出信号的示意图可参考图20。图20是一个对比例的对比输出信号的示意图，如图20所示，将反馈比值设置为90％无法很好地消除50Hz交流电干扰，导致无法对脑电波进行判读。

本实用新型实施例通过初级放大电路对获取的输入信号进行放大后输出放大信号，然后通过第一陷波滤波电路对放大信号进行滤波后输出第一滤波信号，进而通过低通滤波电路对第一滤波信号进行低通滤波后输出第二滤波信号，通过第二陷波滤波电路对二滤波信号进行滤波后输出第三滤波信号，再通过输出电路对第三滤波信号进行滤波得到输出信号。由此，可以实现对输入信号进行放大，同时有效抑制输入信号中交流电干扰，并降低使用成本。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号放大装置，其特征在于，所述信号放大装置包括：

初级放大电路，被配置为对输入信号进行放大，输出放大信号；

第一陷波滤波电路，与所述初级放大电路连接，被配置为对所述放大信号进行滤波，输出第一滤波信号；

低通滤波电路，与所述陷波滤波电路连接，被配置为对所述第一滤波信号进行低通滤波，输出第二滤波信号；

第二陷波滤波电路，与所述低通滤波电路连接，被配置为对所第二滤波信号进行滤波，输出第三滤波信号；以及

输出电路，与所述第二陷波滤波电路连接，被配置为对所述第三滤波信号进行滤波，得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的信号放大装置，其特征在于，所述初级放大电路包括第一输入端，第二输入端和运算放大器，所述第一输入端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述第二输入端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放大器的输出端连接到所述第一陷波滤波电路；

其中，所述第一输入端被配置为接收所述输入信号，所述第二输入端接地，所述运算放大器被配置为对所述输入信号进行放大，输出所述放大信号。

3.根据权利要求2所述的信号放大装置，其特征在于，所述初级放大电路还包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接在所述第二输入端和所述运算放大器的反相输入端之间，所述第二电阻连接在所述第一电阻和所述运算放大器的输出端之间。

4.根据权利要求1所述的信号放大装置，其特征在于，所述输出电路包括：

高通滤波电路，与所述第二陷波滤波电路连接，被配置为对所述第三滤波信号进行高通滤波，输出第四滤波信号。

5.根据权利要求4所述的信号放大装置，其特征在于，所述输出电路还包括：

直流偏置产生电路，被配置为提供预定的偏置信号；

加法电路，与所述高通滤波电路和直流偏置产生电路连接，被配置为将所述第四滤波信号和所述偏置信号叠加，得到输出信号。

6.根据权利要求5所述的信号放大装置，其特征在于，所述高通滤波电路包括滤波子电路和放大子电路，所述滤波子电路连接在所述第二陷波滤波电路和所述放大子电路之间，所述放大子电路连接到所述加法电路；

其中，所述滤波子电路被配置为对所述第三滤波信号进行高通滤波，所述放大子电路被配置为对高通滤波后的第三滤波信号进行放大，输出第四滤波信号。

7.根据权利要求1所述的信号放大装置，其特征在于，所述第一陷波滤波电路和所述第二陷波滤波电路为双T型陷波滤波器。

8.根据权利要求1所述的信号放大装置，其特征在于，所述低通滤波电路为三阶巴特沃斯低通滤波器。

9.根据权利要求1所述的信号放大装置，其特征在于，所述信号放大装置还包括：

供电电路。

10.一种信号放大设备，其特征在于，设施信号放大设备包括：

信号采集装置，被配置为获取输入信号，通过第一输入端将所述输入信号发送至信号放大装置；以及

如权利要求1-9中任一项所述的信号放大装置。

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