一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法

摘要

本发明公开了一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法，包括依次设置于通道信号流动方向上的采集电极，去耦合输入电容，输入单元，通道内斩波调制，通道间斩波调制，全差分闭环放大器单元，通道间斩波解调制，通道内斩波解调制，低通滤波器和输出单元，所述方法包括通道内斩波调制‑多级通道间斩波调制‑放大‑多级通道间斩波解调制‑通道内斩波解调制‑低通滤波的流程。本发明消除了通道间增益误差，并保证了信号采集精度，避开了放大器中的闪烁噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成电路设计技术领域，尤其涉及一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法。

背景技术

脑电信号采集系统通常由多个通道组成，每通道实时采集脑电信号，所有通道并行处理采集到的脑电信号，经过放大、滤波、数字化的步骤后所有通道的信号传递至后端进行数字信号处理。由于采集芯片的设计制程以及生产过程中引入的偏差，每个通道的采集增益各不相同，而通道间的增益误差会影响后端信号处理与计算准确性。因此，消除多通道间的增益误差是脑电信号采集系统中的重要技术目标。

目前消除通道间增益误差的方法多集中于两个通道之间的增益校准，通过反馈的方法将增益误差补偿到某一个通道的采集增益上。但这种办法消耗大量的硬件资源，具有无法快速扩展为多通道进行增益校准的缺陷。本发明专利针对多通道采集系统，提出了基于混合斩波技术的消除通道间增益误差的方法，对每通道的采集增益进行动态平均化，具有硬件资源消耗小、通道数可扩展、通道间增益误差小的技术优势，实现了高精度、多通道、低误差脑电信号采集目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法，该方法将采集到的信号先经过通道内斩波调制电路载至相同的斩波频率，再将不同通道的脑电信号进行通道间斩波调制，使每通道的脑电信号获得相同的放大增益（该增益为所有通道增益的平均值），从而降低通道间增益误差。

本发明采用的技术方案如下：

一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法，所述多通道采集系统包括依次设置于通道信号流动方向上的采集电极，去耦合输入电容，输入单元，通道内斩波调制，通道间斩波调制，全差分闭环放大器单元，通道间斩波解调制，通道内斩波解调制，低通滤波器和输出单元，包括以下步骤：

S1：脑电信号通过所述采集电极进行采集，所采集到的脑电信号经过所述去耦合输入电容传递至所述输入单元，每个所述输入单元将采集到的所述脑电信号经过所述通道内斩波调制，得到通道内斩波调制的脑电信号和通道内斩波调制频率；

S2：所述通道内斩波调制的脑电信号以两通道为一组进行第一级通道间斩波调制，得到通道间斩波调制的脑电信号，第一级通道间斩波调制频率为所述通道内斩波调制频率的一半，经过第一级通道间斩波调制的相邻组所述通道间斩波调制的脑电信号经所述通道间斩波调制的控制信号以两组为新的大组进行第二级通道间斩波调制，依此类推，每进行一级通道间斩波调制其斩波频率降为前一次的一半，每一级通道间斩波调制输出对应的通道间斩波调制的脑电信号，直到最后一级通道间斩波调制完成了包括所有通道的所述通道间斩波调制，最终得到多级斩波调制的脑电信号；

S3：所述多级斩波调制的脑电信号经过每一通道信号流动方向上的所述全差分闭环放大器单元进行放大处理，得到放大的多级斩波调制的脑电信号；

S4：所述放大的多级斩波调制的脑电信号通过与所述步骤S2架构相同但时序相反的所述通道间斩波解调制，得到多级通道间斩波解调制的脑电信号，所述多级通道间斩波解调制的脑电信号经过所述通道内斩波解调制，得到通道内斩波解调制的脑电信号；

S5：所述通道内斩波解调制的脑电信号传输至每条通道信号流动方向上的所述低通滤波器，经过所述低通滤波器滤除高频的调制噪声，保留原始所述脑电信号的信号内容。

进一步地，所述采集电极包括工作电极与参考电极，每一通道的正端接参考电极采集参考脑电基准电压

进一步地，所述步骤S2中通道间斩波调制的控制信号

其中，

其中，

对于多级通道间斩波调制，从单通道的角度，其通道间斩波调制的控制信号表达式为：

其中

每一级通道间斩波调制的控制信号保持相同幅值与相位。

进一步地，所述步骤S4中所述多级通道间斩波解调制的脑电信号为：

其中，

其中，

进一步地，每通道等效放大增益为：

其中，

进一步地，所述步骤S4中所述通道间斩波解调制，经过

进一步地，所述低通滤波器的截止频率为200赫兹，采用开关电容的方式进行滤波，开关电容的运行频率为32k赫兹。

进一步地，还包括控制信号上升沿或下降沿非重叠设置：多级通道间斩波调制的控制信号与通道内斩波调制的控制信号由同一个时钟信号产生，并保持不同的时钟上升沿或下降沿，不同控制信号的上升沿或下降沿差距为大于等于20ps，通道间串扰低于等于-70dB。

进一步地，所述全差分闭环放大器单元增益为60dB，输入电容为20pF，反馈电容为0.2pF。

进一步地，所述去耦合输入电容的大小为300nF。

本发明的有益效果是：在本发明中采集到的信号先经过内部斩波电路载至相同的斩波频率，再将不同通道的脑电信号进行通道间斩波，使每通道的脑电信号获得相同的放大增益（该增益为所有通道增益的平均值），从而降低通道间增益误差。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明实施例1的示意图；

图3为本发明实施例1的精密仪器放大器示意图。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法，所述多通道采集系统包括依次设置于通道信号流动方向上的采集电极，去耦合输入电容，输入单元，通道内斩波调制，通道间斩波调制，全差分闭环放大器单元，通道间斩波解调制，通道内斩波解调制，低通滤波器和输出单元，包括以下步骤：

S1：脑电信号通过所述采集电极进行采集，所采集到的脑电信号经过所述去耦合输入电容传递至所述输入单元，每个所述输入单元将采集到的所述脑电信号经过所述通道内斩波调制，得到通道内斩波调制的脑电信号和通道内斩波调制频率；

S2：所述通道内斩波调制的脑电信号以两通道为一组进行第一级通道间斩波调制，得到通道间斩波调制的脑电信号，第一级通道间斩波调制频率为所述通道内斩波调制频率的一半，经过第一级通道间斩波调制的相邻组所述通道间斩波调制的脑电信号经所述通道间斩波调制的控制信号以两组为新的大组进行第二级通道间斩波调制，依此类推，每进行一级通道间斩波调制其斩波频率降为前一次的一半，每一级通道间斩波调制输出对应的通道间斩波调制的脑电信号，直到最后一级通道间斩波调制完成了包括所有通道的所述通道间斩波调制，最终得到多级斩波调制的脑电信号；

S3：所述多级斩波调制的脑电信号经过每一通道信号流动方向上的所述全差分闭环放大器单元进行放大处理，得到放大的多级斩波调制的脑电信号；

S4：所述放大的多级斩波调制的脑电信号通过与所述步骤S2架构相同但时序相反的所述通道间斩波解调制，得到多级通道间斩波解调制的脑电信号，所述多级通道间斩波解调制的脑电信号经过所述通道内斩波解调制，得到通道内斩波解调制的脑电信号；

S5：所述通道内斩波解调制的脑电信号传输至每条通道信号流动方向上的所述低通滤波器，经过所述低通滤波器滤除高频的调制噪声，保留原始所述脑电信号的信号内容。

进一步地，所述采集电极包括工作电极与参考电极，每一通道的正端接参考电极采集参考脑电基准电压

进一步地，所述步骤S2中通道间斩波调制的控制信号

其中，

其中，

对于多级通道间斩波调制，从单通道的角度，其通道间斩波调制的控制信号表达式为：

其中

每一级通道间斩波调制的控制信号保持相同幅值与相位。

进一步地，所述步骤S4中所述多级通道间斩波解调制的脑电信号为：

其中，

其中，

进一步地，每通道等效放大增益为：

其中，

进一步地，所述步骤S4中所述通道间斩波解调制，经过

进一步地，所述低通滤波器的截止频率为200赫兹，采用开关电容的方式进行滤波，开关电容的运行频率为32k赫兹。

进一步地，还包括控制信号上升沿或下降沿非重叠设置：多级通道间斩波调制的控制信号与通道内斩波调制的控制信号由同一个时钟信号产生，并保持不同的时钟上升沿或下降沿，不同控制信号的上升沿或下降沿差距为大于等于20ps，通道间串扰低于等于-70dB。

进一步地，所述全差分闭环放大器单元增益为60dB，输入电容为20pF，反馈电容为0.2pF。

进一步地，所述去耦合输入电容的大小为300nF。

实施例1：见图2-图3所示，以脑电信号16通道采集系统为例进行说明；

S1：来自于16个采集节点的脑电信号通过采集电极进行采集，所采集到的脑电信号经过去耦合输入电容传递至所述输入单元。在每个通道的输入端，每个所述输入单元将采集到的所述脑电信号经过所述通道内斩波调制，得到通道内斩波调制的脑电信号，斩波频率为

S2：所述通道内斩波调制的脑电信号以两通道为一组进行第一级通道间斩波调制，得到通道间斩波调制的脑电信号，第一级通道间斩波调制频率为所述通道内斩波调制频率的一半

当各相邻通道形成通道间斩波调制组以后，各相邻组与组之间进行通道间斩波调制，第二级通道间斩波调制将信号1与信号2组成的第一组和信号3与信号4组成的第二组进行通道间斩波调制，同时第三组（信号5和6）与第四组（信号7和8），第五组（信号9和10）与第六组（信号11和12），第七组（信号13与14）与第八组（信号15与16）进行第二级通道间斩波调制，第二级中的第一组与第二组将变成第三级通道间斩波调制的第一组，而第二级中的第三组和第四组将变成第三级中的第二组，第二级中的第五和第六组变为第三级中的第三组，第二级中的第七组和第八组变为第三级中的第四组，然后在第三级通道间斩波调制中，第一组和第二组进行通道间斩波调制，第三组和第四组进行通道间斩波调制，之后形成新的第一组和第二组在第四级完成最终的通道间斩波调制。通道间斩波调制的目的为使每一个信号在不同的相位进入不同的通道完成信号放大的工作，并保证调制相位的个数与通道数一样。通道间斩波调制的控制信号

其中，

其中，

对于多级通道间斩波调制，从单通道的角度，其通道间斩波调制的控制信号表达式为：

其中

第二级通道间斩波调制的控制时钟信号频率为4k赫兹，第三级通道间斩波调制的控制时钟信号频率为2k赫兹，第四级通道间斩波调制控制的时钟信号频率为1k赫兹，每一级通道间斩波调制的控制信号保持相同幅值与相位。

S3：所述多级斩波调制的脑电信号经过每一通道信号流动方向上的所述全差分闭环放大器单元进行放大处理，得到放大的多级斩波调制的脑电信号。

通道内采用精密仪器放大器设计，如图3所示。放大器增益设计为60dB，采用单级闭环全差分闭环放大器结构，输入电容为20pF，反馈电容为0.2pF。放大器直流偏置由置于放大器输入输出端之间的伪电阻提供。在混合斩波电路输入端前需要配套去耦合输入电容，电容大小为300nF，焊接于采集电路的输入端，16通道的去耦合输入电容保持统一参数。

S4：所述放大的多级斩波调制的脑电信号通过与所述步骤S2架构相同但时序相反的所述通道间斩波解调制，得到多级通道间斩波解调制的脑电信号，所述多级通道间斩波解调制的脑电信号经过所述通道内斩波解调制，得到通道内斩波解调制的脑电信号，如通道1输入端采集到的信号返回至通道1 的输出端，通道2 输入端采集到的信号返回至通道2的输出端，依此类推，最后经过通道内斩波解调制将信号解调至原有的频率。

多级通道间斩波解调制的脑电信号为：

其中，

其中，

经过四级通道间斩波解调制后，每通道的信号会返回到各通道的输出端，然后经过通道内斩波解调制，被载至斩波频率上的信号会返回至原始的信号频段。通道内斩波调制的控制信号与通道内斩波解调制的控制信号为同步信号，即16个通道的每一个通道的通道内斩波调制与通道内斩波解调制过程都由同一个由外部晶振产生的时钟信号控制，斩波频率为16k赫兹。

多级通道间斩波调制的控制信号与通道内斩波调制的控制信号由同一个时钟信号产生，并保持不同的时钟上升沿或下降沿，不同控制信号的上升沿或下降沿差距为大于等于20ps，通道间串扰低于等于-70dB。

S5：所述通道内斩波解调制的脑电信号传输至每条通道信号流动方向上的所述低通滤波器，经过所述低通滤波器滤除高频的调制噪声，保留原始所述脑电信号的信号内容。

经过通道内斩波解调制与通道间斩波解调制后的信号，其中包含载波调制信号的谐波噪声，通过每通道输出端后接的低通滤波器，将各类谐波噪声滤除，只留下采集到的脑电信号。低通滤波的截止频率设定为200赫兹，采用开关电容的方式进行滤波，开关电容的运行频率为32k赫兹。经过完整的通道内斩波调制-多级通道间斩波调制-放大-多级通道间斩波解调制-通道内斩波解调制-低通滤波的流程，即视为完成了一次完整的混合斩波过程。

脑电采集系统中16通道的放大增益为

通过以上步骤，该技术方法实现了16通道采集增益的动态平衡，消除了通道间增益误差，并保证了信号采集精度，避开了放大器中的闪烁噪声。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。