神經(jīng)信號調(diào)理電路的設(shè)計

　　人體的神經(jīng)信號直接表征著人體自我的意思，研究神經(jīng)信號為了解、識別人體提供了一條途徑。多年來。目前，研究內(nèi)容主要包括神經(jīng)電極和神經(jīng)信號調(diào)理電路兩部分。神經(jīng)電極可以將神經(jīng)電信號從人體中提取出來，而神經(jīng)信號調(diào)理電路則對神經(jīng)信號進行去噪、放大、識別等處理。

　　神經(jīng)信號和人體的其它生物信號有相同的一些特點，也有其獨具的一些特征。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的研究，神經(jīng)信號一種形似脈沖的電信號，頻率一般為1kHz左右，高的可達(dá)10kHz。例如一束控制肌肉的運動神經(jīng)，當(dāng)有沖動電位信號到來時，肌肉纖維便發(fā)生收縮反應(yīng)，收縮的力度根據(jù)神經(jīng)沖動頻率的不同而有強弱的區(qū)別。因此，只要將脈沖電位進行識別，處理成數(shù)字控制信號，即可進行假肢控制等一類具體的應(yīng)用。

　　當(dāng)然，神經(jīng)信號的檢測也有其困難的一面。人體的神經(jīng)信號是屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，由于其非常微弱，只有微伏級，同時干擾又異常強大，因此有效信號往往會被淹沒。干擾信號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)上文對神經(jīng)信號特點的描述，設(shè)計了一款針對性強、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的神經(jīng)信號調(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，則輸入信號中共模信號的影響將減弱100萬倍，1V的共模信號等效力1μV的差模信號。同時電路的輸入阻抗也是一個很重要的參數(shù)。高輸入阻抗可以有效地減小信號源高內(nèi)阻的影響。上文中提到生物體的等效信號源的輸出阻抗一般可有幾十千歐，這就要求設(shè)計的電路的輸入阻抗大于百兆歐。另外，由于各個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，相對于幅值為微伏的神經(jīng)信號而言，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、中間級信號處理電路和后續(xù)信號識別傳輸電路。

　　2 電路設(shè)計

　　早期的生物信號電路多采用分立元件設(shè)計，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)計中受到了普遍的歡迎。本文的設(shè)計中充分應(yīng)用了這類器件。

　　2.1 前置輸入放大電路

　　前置級主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比三項的影響。這里設(shè)計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，理論上輸入阻抗為無窮大，有效地將人體與電路系統(tǒng)隔離，去除了信號源內(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。電路的差模信號截止頻率BWDDFF和共模信號截至頻率BWCM如式(1)、(2)所示，其中，R1a、R1b、C1a、C1b必須精確相等，C2>10C1。一般來講，儀用放大器對于高于20kHz的信號已經(jīng)沒有了共模抑制能力，該網(wǎng)絡(luò)的使用可以使儀用放大器更有效地工作。

　　儀用放大器因為其經(jīng)典的三運放結(jié)構(gòu)而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個電阻即可設(shè)定增益，在生物信號處理領(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，比通用的AD620在各方面的性能都要高一個數(shù)量級。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)，不能過大。