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70通道EPR脑电信号采集系统的实现

时间:2015-11-15  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

  ERP脑电信号首先通过贴在人体头皮上的电极引入到前置放大电路,伴随着脑电信号会有很多干扰和伪迹,这些无用信号往往比有用的脑电信号大几百甚至上千倍。这就要求前置http://www.siyinzg.com/插件电感放大器既能放大E电容电感RP脑电信号又有抑制干扰信号的能力[4]。因此选择了高共模抑制比和高输入阻抗的仪表放大器AD620。为了不让干扰信号将放大器饱和,就要使放大器处于低增益状态,放大倍数被控制在5~10倍。这样可以使输入信号的动态范围扩大到±300 mV。前置放大电路如图2所示。

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  1.3 抗混叠滤波电路设计

  为了使后面的A/D采样电路工作在10 kHz采样率下满足抽样定理的条件,必须限制输入到A/D采样电路信号的频率范围。本文采用了一个二阶低通有源滤波电路,将输出信号的频带限制在0~2 kHz。抗混叠滤波电路如图3所示。

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  1.4 A/D转换电路设计

  采用高精度的A/D转换来满足分辨微伏级信号的要求,每路各采用一片低成本高精度的∑-⊿型A/D转换器ADS1251来进行模/数转换[5]。这样就避免了模拟信号的通道间切换给∑-⊿型A/D转换器带来的致命影响。因此可以使每一路的采样率达到10 kHz的同时转换精度能达到24 bit。

  1.5 数据汇集与传输电路设计

  由于本文是对多路ERP脑电信号分别进行高速采样和高精度A/D转换,因而会同时产生多路高速的数据流。这些大量的多路数据必须按照一定的数据格式形成一路更高速度的数据流才可以方便地输入计算机进行处理[6]。本文采用一种高速数据汇集电路,将70路转换后的数据汇集成一路高速的数据流,同时插入同步信息,经过光纤隔离电路再通过USB2.0接口传输给上位机,完成采样数据的接收和控制命令的下发。该部分电路是这一新型ERP脑电检测技术得以实现的核心电路,电路框图如图4所示。

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  2 测试结果比较分析

  2.1 基于VC++测试平台的设计

  本文采用基于VC++的软件测试平台进行电路性能参数测试。该平台以软件的方式代替硬件,方便修改、维护和添加新功能,具有极强的灵活性。程序有通道选择(1~70通道)、低通/高通滤波、50 Hz工频陷波、波形显示等功能。

  2.2 系统测试分析

  测试项目包括电压、通频带、噪声电平、共模抑制比、共模电压输入范围、差模电压输入范围、采样率、分辨率等测试。

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  共模抑制比测试电路如图5所示。将信号源地与放大器地连接,放大器两个差分输入端(ACT与REF)短接并与信号源输出连接,运行测试程序进行采样,关闭软件50 Hz陷波,信号源输出2 V/50 Hz信号,读取对应的50 Hz峰峰值V50为14.583 μV,如图6所示。根据公式CMRR=20log(2/V50)计算出共模抑制比为102.7 dB。

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  在测试噪声电平时,将输入端对地短路,运行测试程序进行采样,低通滤波截止频率分别设定为10 Hz、100 Hz、1 kHz、2 kHz,读取对应的噪声峰峰值SVpp如图7所示。根据公式Srms=SVpp/6.6计算出有效值噪声Srms值。

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  经计算,低通滤波截止频率为10 Hz时,SVpp为0.395 V,Srms为0.06 V;低通滤波截止频率为100 Hz时,SVpp为1.622 V,Srms为0.25 V;低通滤波截止频率为1 kHz时, SVpp为6.942 V, Srms为1.05 V;低通滤波截止频率为2 kHz时,SVpp为9.324 ,Srms为1.41 V。

  同理,测得电压精度为98.2%;通频带完全达到1~2 kHz(2 kHz电压幅度仅下降0.7 dB);差模输入范围为0~480 mV;采样率为10 416 S/s;放大器增益为8时的分辨率为0.037 ?滋V。

  本文设计的ERP脑电信号采集装置成本较低, 针对每一路模拟信号真正实现了24 bit转换精度,从而可以大大降低前置放大器的增益,简化电路设计,大大提高了输入动态范围。针对每一路模拟信号真正实现了10 kHz的采样率,从而大大提高了所采集脑电信号的带宽,为脑电信号中高级认知电位(事件相关电位)分析提供了技术支持。混合在有用信号中的大幅度的干扰信号可以在转换后的数据中通过计算机软件处理的方法(如软件滤波和叠加平均)加以去除,从而提高抗干扰的效果,降低抗干扰的成本。

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