一种高精度低噪声的脑电信号采集电路的制作方法

1.本实用新型实施例涉及脑电信号采集技术领域，具体涉及一种高精度低噪声的脑电信号采集电路。


背景技术：

2.脑电信号是人体神经认知过程的一种实时的信号反应，脑电信号可以通过无创方式获取，对人不构成伤害，脑电信号是研究人体大脑各种功能活动的最常用的信号。在脑电系统中，参考说明书附图1，工频噪声通过分布电容c2、ct耦合到头部，工频噪声幅值是脑电信号幅值的几万倍到十万倍。传统的共模抑制技术是选取高共模抑制比的运算放大器，经过放大器抑制后，工频噪声仍然到脑电信号的几十倍，给后期信号处理带来很大的困难。


技术实现要素：

3.为此，本实用新型实施例提供一种高精度低噪声的脑电信号采集电路，以解决现有的脑电信号采集存在的工频噪声大、后期信号处理困难的问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种高精度低噪声的脑电信号采集电路，所述信号采集电路包括采集电极、电极/皮肤接触等效阻抗电路、导线等效阻抗电路以及脑电共模抑制电路，所述采集电极包括正电极、参考电极以及负电极，所述电极/皮肤接触等效阻抗电路包括第一等效阻抗电路、第二等效阻抗电路和第三等效阻抗电路，所述导线等效阻抗电路包括第四等效阻抗电路、第五等效阻抗电路和第六等效阻抗电路，所述脑电共模抑制电路包括运算放大器u1、u2和u3，所述正电极依次连接第一等效阻抗电路、第四等效阻抗电路后连接至运算放大器u1的正相输入端，所述参考电极依次连接第二等效阻抗电路、第五等效阻抗电路后连接至运算放大器u2的正相输入端，所述运算放大器u1的输出端连接精密电阻rcm1后连接至运算放大器u3的反相输入端，所述运算放大器u2的输出端连接精密电阻rcm2后连接至运算放大器u3的反相输入端，所述运算放大器u1和u2的输出端连接模拟数字转换器，所述运算放大器u3的正相输入端连接基准电压源，所述运算放大器u3的输出端依次连接第六等效阻抗电路、第三等效阻抗电路后连接至负电极。
5.进一步地，所述运算放大器u1的反相输入端连接电阻r1的第一端，所述电阻r1的第二端连接运算放大器u1的输出端，所述运算放大器u2的反相输入端连接电阻r3的第一端，所述电阻r3的第二端连接运算放大器u2的输出端，所述电阻r1的第一端与电阻r3的第一端之间连接有电阻r2。
6.进一步地，所述运算放大器u3的反相输入端和输出端之间连接有并联的电容cf和电阻rf。
7.进一步地，所述第一等效阻抗电路包括并联连接的电容ce1和电阻re1，所述电阻re1连接正电极，所述第二等效阻抗电路包括并联连接的电容ce2和电阻re2，所述电阻re2连接参考电极，所述第三等效阻抗电路包括并联连接的电容ce3和电阻re3，所述电阻re3连
接负电极。
8.进一步地，所述第四等效阻抗电路包括电阻rcb1，电阻rcb1的两端分别连接电阻re1和运算放大器u1的正相输入端，电阻rcb1的两端分别连接有电容ccb1和电容ccb2，所述第五等效阻抗电路包括电阻rcb2，电阻rcb2的两端分别连接电阻re2和运算放大器u2的正相输入端，电阻rcb2的两端分别连接有电容ccb3和电容ccb4，所述第六等效阻抗电路包括电阻rcb3，电阻rcb3的两端分别连接电阻re3和运算放大器u3的输出端，电阻rcb3的两端分别连接有电容ccb5和电容ccb6。
9.进一步地，所述电阻rcb3与运算放大器u3的输出端之间连接有并联的电容cp和电阻rp。
10.进一步地，所述负电极连接有电容ct，所述电阻re3连接在负电极和电容ct之间，所述电容ct连接电容cb。
11.进一步地，所述模拟数字转换器采用24位adc器件。
12.本实用新型实施例具有如下优点：
13.本实用新型实施例提出的一种高精度低噪声的脑电信号采集电路，所述信号采集电路包括采集电极、电极/皮肤接触等效阻抗电路、导线等效阻抗电路以及脑电共模抑制电路，通过运算放大器u3将脑电信号实时中间值180度反向后输入到人的头部，以抑制工频信号的共模噪声，通过反向抑制技术，大幅度提高共模抑制比，使得采集的脑电信号信噪比得到大幅度提高，采集到的信号基本就是脑电信号的幅度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
15.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
16.图1为现有脑电信号采集电路图；
17.图2为本实用新型实施例1提供的一种高精度低噪声的脑电信号采集电路的电路图。
18.图中：采集电极100、电极/皮肤接触等效阻抗电路200、导线等效阻抗电路300、脑电共模抑制电路400。
具体实施方式
19.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.本实用新型实施例提出了一种高精度低噪声的脑电信号采集电路，该信号采集电路包括采集电极100、电极/皮肤接触等效阻抗电路200、导线等效阻抗电路300以及脑电共模抑制电路400。
21.采集电极100包括正电极、参考电极以及负电极。电极/皮肤接触等效阻抗电路200包括第一等效阻抗电路、第二等效阻抗电路和第三等效阻抗电路。导线等效阻抗电路300包括第四等效阻抗电路、第五等效阻抗电路和第六等效阻抗电路。
22.脑电共模抑制电路400包括运算放大器u1、u2和u3，正电极依次连接第一等效阻抗电路、第四等效阻抗电路后连接至运算放大器u1的正相输入端，通过运算放大器u1的正端采集脑电的正端信号，参考电极依次连接第二等效阻抗电路、第五等效阻抗电路后连接至运算放大器u2的正相输入端，通过运算放大器u2的正端采集脑电的负端信号，运算放大器u1的输出端连接精密电阻rcm1后连接至运算放大器u3的反相输入端，运算放大器u2的输出端连接精密电阻rcm2后连接至运算放大器u3的反相输入端，运算放大器u1和u2的输出端连接模拟数字转换器，运算放大器u3的正相输入端连接基准电压源，运算放大器u3的输出端依次连接第六等效阻抗电路、第三等效阻抗电路后连接至负电极。通过精密电阻rcm1和rcm2取得脑电信号的实时中间值，通过运算放大器u3把脑电信号实时中间值180度反向后输入到人的头部，抑制工频信号的共模噪声。
23.运算放大器u1的反相输入端连接电阻r1的第一端，电阻r1的第二端连接运算放大器u1的输出端，运算放大器u2的反相输入端连接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接运算放大器u2的输出端，电阻r1的第一端与电阻r3的第一端之间连接有电阻r2，通过电阻r2来调整放大倍数。
24.本实施例中，模拟数字转换器采用24位adc器件，可以兼顾量程和测量精度。脑电中高频信号是微伏级信号，一般在十几微伏至三百微伏之间；但是低频部分在十几毫伏至几百毫伏。脑电频段信息丰富，每个频段的信息和价值各有其侧重点，缺一不可。低频能量比高频大，占用解析位数更多。由于人的意识状态和低频信息的比例有明确的相关性，为了保障识别的精准度，必须保障高低频信息同时采集，确保脑电信号完整无缺。采用24位adc器件，在确保几百毫伏量程范围的情况下，分辨率达到0.012微伏。
25.本实施例中，运算放大器u3的反相输入端和输出端之间连接有并联的电容cf和电阻rf，采用cf、rf来补偿电极\皮肤接触等效阻抗、导线等效阻抗的电容造成的相位偏差。
26.本实施例中，第一等效阻抗电路包括并联连接的电容ce1和电阻re1，电阻re1连接正电极，第二等效阻抗电路包括并联连接的电容ce2和电阻re2，电阻re2连接参考电极，第三等效阻抗电路包括并联连接的电容ce3和电阻re3，电阻re3连接负电极。负电极连接有电容ct，电阻re3连接在负电极和电容ct之间，电容ct连接电容cb，工频通过空间耦合电容c2，耦合过来工频噪声。
27.本实施例中，第四等效阻抗电路包括电阻rcb1，电阻rcb1的两端分别连接电阻re1和运算放大器u1的正相输入端，电阻rcb1的两端分别连接有电容ccb1和电容ccb2，第五等效阻抗电路包括电阻rcb2，电阻rcb2的两端分别连接电阻re2和运算放大器u2的正相输入端，电阻rcb2的两端分别连接有电容ccb3和电容ccb4，第六等效阻抗电路包括电阻rcb3，电
阻rcb3的两端分别连接电阻re3和运算放大器u3的输出端，电阻rcb3的两端分别连接有电容ccb5和电容ccb6。电阻rcb3与运算放大器u3的输出端之间连接有并联的电容cp和电阻rp。
28.设计原理：通过在仪用放大器的中点引出信号，产生一个和共模信号幅值相同相位反向的信号，通过驱动电路打到人体，以达到抑制的共模的作用，抑制增益可以通过计算，闭环增益a的值如下：
[0029][0030][0031]
rld环路的闭环带宽近似等于：
[0032][0033]
滤波器的设计，采用的是双极点滤波，通带在150k左右。
[0034]
现有技术采集的脑电效果，微弱的脑电信号淹没在噪声之中，幅值在300的脑电信号，采集完，却又4000的幅度。而采用本技术，使得采集的脑电信号信噪比得到大幅度提高，采集到的信号基本就是脑电信号的幅度。
[0035]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。