电生理小信号采集系统-依托KS109x的实现

乐活   2025-01-16 23:19   内蒙古  

FreeEEG32-32通道同步ADC生物电采集系统

关于32通道同步ADC采集系统答疑

最近在设计一套拥有更加灵活的采集系统,

这篇文章会回答很多问题,也会给出一些具体的设计指导,理论先行虽然是会快人一步,但是实践始终是最重要的。

高共模抑制比: 能够有效抑制共模干扰,提高抗干扰能力。

可编程增益: 可以根据不同的信号幅值调节增益,提高灵敏度。

内置滤波器: 可以滤除不需要的频率成分,提高信噪比。

内置参考驱动放大器: 提高参考电极的驱动能力。

内置高精度低压差稳压器: 为芯片提供稳定的电源。

支持基线快速恢复: 提高信号的稳定性。

支持直流耦合输入: 可以测量直流成分。

支持干电极: 提高用户舒适度。

高ESD保护: 提高芯片的抗静电能力

会分析里面的每一点对采集系统的影响。

EEG信号主要反映大脑神经元的电活动,是一种非常微弱的生物电信号。它包含了直流成分和交流成分。

直流成分: 主要反映大脑的静息状态,以及慢波活动,如深度睡眠时的δ波。

直流漂移: 直流信号容易受到漂移的影响,需要采取相应的措施,如使用差分放大器、自动零点校准等。

传统的EEG采集系统通常采用交流耦合,即通过一个高通滤波器来滤除直流成分。而直流耦合则直接将电极上的电位信号放大,从而保留了直流成分。

直流耦合对放大器的性能要求更高,需要选择低噪声、高稳定性的放大器。

交流成分: 主要反映大脑的动态活动,如α波、β波等,这些波形与人的意识状态、认知功能等密切相关。

ADMX3652-便携六位半电压表-这里面的挑战有一个就是直流漂移。

自动零点校准(Auto Zero)
自动零点校准是一种技术,用于消除ADC和系统中的偏移误差。在硬件设计中,这通常通过在ADC的输入端短路(连接到地或零电压参考点),然后进行一次测量实现。测得的值被用作偏移误差,之后的所有测量都会减去这个值以校正偏移。

单端输入(Single-ended Input):信号相对于一个公共参考点(通常为地)的电压值。这是最常见的输入方式,简单直观。

差分输入(Differential Input):信号相对于另一个信号的电压差。这个“另一个信号”通常是另一个通道的输出,或者是一个参考信号。两个通道上的共模噪声会被抵消,有效提高信号的信噪比。

为了兼顾单端输入的简单和差分输入的抗噪性,还有一种伪差分输入。它将单端信号的一端接入差分输入的正端,另一端接地,从而获得一定的共模抑制能力。但由于输入信号的阻抗和其地线的阻抗不同,所以在受到干扰时产生的电压尖峰也不会相等,所以共模抑制能力并不是很强。

差分输入引脚 (INP1, INN1, INP2, INN2)用于采集脑电信号的差分输入。

  • 电源引脚 (VDD, LDOIN)

    • 为芯片提供工作电源。

    • LDOIN为内部低压差稳压器的输入,用于产生稳定的1.8V电源供内部电路使用。

  • 控制引脚 (EN, FR, CHLEN, RESET)

    • EN:使能信号,控制芯片的工作状态。

    • FR:快速恢复控制,用于在特殊情况下快速恢复芯片工作。

    • CHLEN:通道使能,控制各个通道的使能状态。

    • RESET:复位信号,用于将芯片复位到初始状态。

  • SPI接口引脚 (CS, SCLK, SDI, SDO)

  • 输出引脚 (VO1, VO2, LDF)

    • VO1, VO2:模拟输出,连接到模数转换器(ADC)的输入端,用于将模拟的脑电信号转换为数字信号。

    • LDF:导联脱落检测输出,用于检测电极是否与头皮接触良好。

  • 偏置引脚 (BSOUT, BSINV)

    • 用于驱动电极,提供偏置电流,有助于提高信号质量。

  • 其他引脚 (VDDIO, GND)

    • VDDIO:数字接口IO电压控制输入,用于匹配外部电路的电压。

    • GND:地,连接到系统的接地。

上面是参数表,很简单,来分析一下电性能

  • 输入端性能

    • 差分输入模式:支持DC耦合,适用于采集静态和动态脑电信号。这里就看上面

    • 输入范围:根据公式(VDD-0.15)/Gain计算,输入范围可调。后面有

    • 输入阻抗:无源情况下输入阻抗较高,有利于减少噪声引入。

    • 共模抑制比(CMRR):100dB,表明芯片对共模噪声具有较强的抑制能力。

    • 电源抑制比(PSRR):85-105dB,表明芯片对电源噪声不敏感。

  • 放大电路性能

    • 增益:第一级固定增益,第二级增益可调,满足不同应用需求。

    • 带宽:0.05Hz-200Hz,覆盖了大部分脑电信号的频段。

  • 噪声性能

    • 输入噪声:1uVrms,噪声水平较低,有利于提高信噪比。

  • 驱动电路性能

    • 输出电压摆幅:可达VDD,能够驱动各种负载。

    • 负载电阻:可驱动10kΩ-100kΩ的负载。

    • 增益带宽积:10kHz,满足一般应用需求。


内部给出了这个LDO的参数

就是这样的

这个是数字系统的电源-1.8或者3.3

Supply Range (LDOIN): LDO的输入电压范围为1.8V到3.6V,这意味着芯片可以在较宽的电源电压范围内工作。

LDO Output Voltage (VLDO): LDO的输出电压有两个固定值:当输入电压为1.8V时,输出电压为1.79V;当输入电压为3.3V时,输出电压为1.8V。这表明LDO的输出电压与输入电压有一定的关系,但变化范围较小。

LDO dropout (Vdrop): LDO的压差,即输入电压与输出电压的差值。当负载电流为10mA到30mA时,压差最大为30mV。较小的压差意味着LDO可以在输入电压较低的情况下仍能保持稳定的输出电压。

Supply Current (Isupply): LDO的静态电流,即在无负载情况下LDO消耗的电流。单通道模式下,静态电流为140uA;双通道模式下,静态电流为220uA。较小的静态电流有助于降低芯片的整体功耗。

Load Current (IL): LDO的最大输出电流,可以达到30mA,足以满足芯片内部电路的供电需求。

Startup Time (Tst): LDO的启动时间,即从上电到输出电压稳定所需的时间。在1.8V到3.6V的输入电压范围内,启动时间最大为100us,表明LDO具有较快的启动速度。

Shutdown Current (Ileak): LDO的关断电流,即在关闭状态下LDO的漏电流。关断电流仅为0.5uA,表明LDO在关断状态下功耗极低。

Load Capacitor (C): LDO输出端的滤波电容,用于改善输出电压的稳定性。

Operation Temperature (Ta): LDO的工作温度范围为0℃到70℃,能够适应大多数的应用环境。

ESD Ratings: LDO的静电防护能力,HBM模型下的ESD耐压为±4kV,CDM模型下的ESD耐压为±500V,具有较强的抗静电能力。

接下来是单元组件了:

这个是示意图

实际也差不多

其实可以看到是这个组件又构成了一个反馈圈

就是这样的

所有的仪表放大器都有

R是来限制反灌出来的电流

电容是补偿相位之用,调节带宽。200pF电容去除直流偏置

偏置驱动电路的主要目的是抑制共模干扰。在生物电测量系统中,电源线、荧光灯等都会产生共模噪声,这些噪声会叠加在测量信号上,影响测量精度。

偏置驱动电路通过对共模信号进行感知和反馈,从而减小共模信号的幅度,提高系统的抗共模干扰能力。

驱动电极通过偏置驱动电路,将一个参考电压施加到身体上,从而最小化电源线和其它干扰源引起的共模电压的影响。

减少运动伪影: 对于可穿戴设备,身体运动会引入大量的运动伪影,驱动电极可以有效抑制这些伪影。

  1. 驱动电极位置: 驱动电极可以放置在任意位置,并不局限于靠近输入电极。

  2. 电极隔离: 驱动电极必须与输入电极完全隔离,避免短路。

  3. 安全考虑: 在驱动电极与被测对象之间应串联一个电阻,限制电流,确保安全。

AMP1

  1. 共模信号检测: 偏置放大器(BIAS-AMP1)检测输入端的共模信号。

  2. 负反馈回路: 检测到的共模信号经过反相后,驱动被测对象,形成一个负反馈回路。

  3. 共模抑制: 负反馈回路使得被测对象的共模电压保持在一个较窄的范围内,从而有效抑制了共模干扰。


    右腿驱动电路-看不懂也没有办法版


  • BIAS-AMP1: 检测输入端的共模信号。

  • BIAS-AMP2: 将检测到的共模信号反相后驱动被测对象。

这个C用作积分

电容C: 与BSINV和BSOUT端连接,形成一个积分电路,用于改善低频段的共模抑制效果。

电容C的值: 电容值影响共模抑制的频率范围。较大的电容值可以改善低频段的共模抑制,但会降低高频段的增益,甚至导致系统不稳定。

电阻R: 连接在BSOUT端和被测对象之间,用于限制驱动电流,保护电路和被测对象。

电阻R的值: 电阻值决定了驱动电流的大小。过大的电阻值会降低共模抑制效果,过小的电阻值可能损坏电路或被测对象。

放大器带宽: 放大器的带宽决定了电路能够抑制的最高频率的共模噪声。


KS1091/KS1092芯片采用带通放大器(BP-AMP),由于其高通滤波特性截止频率极低,信号可能需要数秒才能稳定。这种长时间的稳定时间在电极首次连接等情况下会给用户带来不便。

快速恢复电路就是为了解决这个问题,通过在输出端检测到饱和状态后,快速建立一个低阻抗回路,从而加速信号的稳定。

  1. 饱和检测: 信号通道的输出连接到窗口比较器,当输出信号达到饱和状态时,窗口比较器产生触发信号。

  2. 低阻抗回路建立: 触发信号触发开关逻辑,在BP-AMP的输入端和输出端之间建立一个低阻抗回路。

  3. 快速稳定: 由于低阻抗回路的存在,信号能够更快地稳定下来。

  4. 定时结束: 经过一段时间的延迟后,低阻抗回路断开,电路恢复正常工作。


  • 内部导联脱落检测: 可以通过芯片内部的导联脱落检测输出(LDF)引脚触发快速恢复功能。

  • 外部控制信号: 可以通过FR引脚输入外部控制信号来触发快速恢复功能。外部控制信号可以由微控制器产生。


  • 加速信号稳定: 有效缩短了信号稳定时间,提高了用户体验。

  • 灵活的控制方式: 支持内部和外部两种触发方式,适应不同的应用场景。

  • 快速恢复时间: 快速恢复时间需要根据具体应用场景进行调整,过短的恢复时间可能导致误触发,过长的恢复时间则达不到快速恢复的目的。

  • 功耗: 快速恢复电路会增加芯片的功耗,需要在功耗和性能之间进行权衡。

  • 稳定性: 快速恢复电路的设计需要保证系统的稳定性,避免出现振荡等问题。

KS1091/KS1092芯片支持湿电极和干电极两种类型的生物电信号采集。

ECG/EEG/EMG 系统中的生物电势电极传感器

脑电图有源电极设计

湿电极: 常用的材料有氯化银(Ag-AgCl)等。湿电极与皮肤接触良好,阻抗较低,能够获取高质量的信号。

干电极: 常用的材料有金属(铜、银等)、导电织物、石墨烯等。干电极使用方便,但与皮肤的接触阻抗相对较高,可能影响信号质量。

信号质量: 湿电极通常提供更好的信号质量,但干电极使用更方便。

应用场景: 对于长期监测,干电极可能更合适;对于短时间、高精度测量,湿电极可能更佳。

患者舒适度: 干电极对皮肤的刺激较小,患者佩戴更舒适。

云深之无迹
纵是相见,亦如不见,潇湘泪雨,执念何苦。
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