神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　人體的神經(jīng)信號(hào)直接表征著人體自我的意思，研究神經(jīng)信號(hào)為了解、識(shí)別人體提供了一條途徑。多年來(lái)。目前，研究?jī)?nèi)容主要包括神經(jīng)電極和神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路兩部分。神經(jīng)電極可以將神經(jīng)電信號(hào)從人體中提取出來(lái)，而神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路則對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行去噪、放大、識(shí)別等處理。

　　神經(jīng)信號(hào)和人體的其它生物信號(hào)有相同的一些特點(diǎn)，也有其獨(dú)具的一些特征。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的研究，神經(jīng)信號(hào)一種形似脈沖的電信號(hào)，頻率一般為1kHz左右，高的可達(dá)10kHz。例如一束控制肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，當(dāng)有沖動(dòng)電位信號(hào)到來(lái)時(shí)，肌肉纖維便發(fā)生收縮反應(yīng)，收縮的力度根據(jù)神經(jīng)沖動(dòng)頻率的不同而有強(qiáng)弱的區(qū)別。因此，只要將脈沖電位進(jìn)行識(shí)別，處理成數(shù)字控制信號(hào)，即可進(jìn)行假肢控制等一類具體的應(yīng)用。

　　當(dāng)然，神經(jīng)信號(hào)的檢測(cè)也有其困難的一面。人體的神經(jīng)信號(hào)是屬于強(qiáng)噪聲干擾下的低頻微弱信號(hào)，由于其非常微弱，只有微伏級(jí)，同時(shí)干擾又異常強(qiáng)大，因此有效信號(hào)往往會(huì)被淹沒(méi)。干擾信號(hào)一般包括高頻的電磁干擾、50Hz工頻干擾和極化電壓等。工頻干擾主要以共模信號(hào)的形式存在，通常幅值可達(dá)幾伏至幾十伏。而極化電壓是由于測(cè)量的電極和生物組織之間構(gòu)成了化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，一般為幾十毫伏，最大可達(dá)300mV。另外，由于生物體的復(fù)雜性和特殊性，其等效的信號(hào)源輸出阻抗一般很大，可有幾十千歐，這也是必需要考慮的。根據(jù)上文對(duì)神經(jīng)信號(hào)特點(diǎn)的描述，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)性強(qiáng)、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路。

　　1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　根據(jù)神經(jīng)信號(hào)的特性以及通用電極的特性，調(diào)理電路必須具有一些必備的性能。首先，電路必須具有很高的共模抑制比，比抑制工頻干擾以及其它測(cè)量參數(shù)外的生理作用干擾。如果電路的共模抑制比是120dB，則輸入信號(hào)中共模信號(hào)的影響將減弱100萬(wàn)倍，1V的共模信號(hào)等效力1μV的差模信號(hào)。同時(shí)電路的輸入阻抗也是一個(gè)很重要的參數(shù)。高輸入阻抗可以有效地減小信號(hào)源高內(nèi)阻的影響。上文中提到生物體的等效信號(hào)源的輸出阻抗一般可有幾十千歐，這就要求設(shè)計(jì)的電路的輸入阻抗大于百兆歐。另外，由于各個(gè)電極接觸的人體組織不同，因而表現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)，這會(huì)引起電極輸入阻抗的不平衡，使共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。提高放大器的輸入阻抗有利于減小這一轉(zhuǎn)化的影響。同時(shí)，相對(duì)于幅值為微伏的神經(jīng)信號(hào)而言，調(diào)理電路的低噪聲、低漂移等指標(biāo)也是極為重要的。本文提出的神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路系統(tǒng)共分為三部分：前置輸入放大電路、中間級(jí)信號(hào)處理電路和后續(xù)信號(hào)識(shí)別傳輸電路。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　早期的生物信號(hào)電路多采用分立元件設(shè)計(jì)，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，由于這類器件性能優(yōu)異，避免了安裝調(diào)試等工作，在生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)中受到了普遍的歡迎。本文的設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用了這類器件。

　　2.1 前置輸入放大電路

　　前置級(jí)主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比三項(xiàng)的影響。這里設(shè)計(jì)的電路由三部分組成：輸入緩沖、高頻濾波和儀用放大器。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　輸入緩沖器由于采用了直接的電壓負(fù)反饋設(shè)計(jì)，理論上輸入阻抗為無(wú)窮大，有效地將人體與電路系統(tǒng)隔離，去除了信號(hào)源內(nèi)阻高且不穩(wěn)定的影響。

　　由R1a、R1b、C1b、C2組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)可有效地去除高頻電磁噪聲的影響。電路的差模信號(hào)截止頻率BWDDFF和共模信號(hào)截至頻率BWCM如式(1)、(2)所示，其中，R1a、R1b、C1a、C1b必須精確相等，C2>10C1。一般來(lái)講，儀用放大器對(duì)于高于20kHz的信號(hào)已經(jīng)沒(méi)有了共模抑制能力，該網(wǎng)絡(luò)的使用可以使儀用放大器更有效地工作。

　　儀用放大器因?yàn)槠浣?jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個(gè)電阻即可設(shè)定增益，在生物信號(hào)處理領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。這里選用的AD公司的AD8221是最新的一款型號(hào)，比通用的AD620在各方面的性能都要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外由于極化電壓的存在，為了避免電路的飽和，前置放大電路的增益必須在數(shù)十倍之內(nèi)，不能過(guò)大。