面包芯语

常见几款脑电采集芯片的输入端问题（差分）

原创 云深之无迹 2025-01-16 23:19
构建AI未来，Arm计算平台无处不在 如何增强能源基础设施的实时控制？

这脑电设备做完了，电极还没有着落，那就简单的盘点一下这个接口。（但是后面还分析了不少的电路结构，值得一看）。

出现的芯片有BMD101，ADS129x，AFE96x，LHA787X，AD7771，KS1092

很多便携的设备是加了一个耳夹

专业设备

这样

这个参考是在外面的

直接就连接在了脑皮层上

EPOC，是上面有盐水的，可以及时的提供电解液

这是干电极，镀了东西

一端在头皮上，另一端在耳朵上，是为了形成一个测量环路。

在EEG信号的采集过程中，头皮电极所能够测量到的信号实际上是电位差，这里的电位差即是作用电极（active electrode）与参考电极（reference electrode）的差值。

上诉的差分连接测量两点的电势差，对于同时作用在两点上的共模干扰（如工频噪声、电磁辐射）会被抵消。单端测量容易受到电极阻抗变化的影响，而差分测量对两点电极阻抗变化的对称性更具容忍性。

为了得到这些参数的准确值，我们需要以最不活跃电极点作为参考，以便测得最理想的原始数据。所以在头皮记录测量中设定参考电极是无法避免的。

但是也不是那么固定的连接。

有一种是，公共参考连接：多个测量电极共享同一个参考电极（如耳垂、鼻尖等），测量每个电极与参考电极之间的电势差。如果参考电极受到干扰，所有通道都会受到影响。共模干扰抑制效果有限。

单端就是一个共模电压是一个基准点，然后摆幅在参考上下摆动。

仅测量一个输入端（INP）相对于一个固定的参考电压（通常为地或某一共模电压，INN）。

容易受到共模噪声的干扰，因为参考电压不参与动态变化。信噪比（SNR）相对较低。

测量两个输入端（INP 和 INN）之间的电压差。INP 和 INN 是两个输入信号，均围绕共模电压 VCM 波动。

对共模噪声（如电源干扰）有很强的抑制能力。

在波形图上面就这样

类比的图很漂亮

这个是一个差分的结构

这个图我的意思是，它揭示了共模电压的本质，由于负反馈的原理看，我画的地方电压都是一样的，所以是共模电压平等的弥漫在各处。

再看看这个参考的结构

去掉电容

  1. Bandgap： Bandgap电路利用PN结的带隙电压特性，产生一个相对稳定的基准电压。这个电压受温度影响较小。

  2. 电阻网络： R1、R2、R3组成的分压网络，用于将Bandgap输出的基准电压分压得到所需的参考电压VREFP和VREFN。是一个电阻的上下俩端。

  3. 电容： C1、C2、C3等电容用于滤波，提高电源的稳定性。分析的时候可以去掉

  4. 输出端： VREFP和VREFN分别提供正参考电压和负参考电压，连接到ADC的参考输入端。

这个是外置的参考

REF5025提供一个稳定的基准电压。

OPA211： 一款运算放大器，用于缓冲和放大基准电压，并提供一个低阻抗的输出。

电阻网络： 由多个电阻组成的分压网络，用于调节输出电压的幅值。

上面的开关可以互联，来完成各种测量方式，RLD是接入了右腿驱动

右腿驱动通过内部的互联开关把反向放大的工频信号传回去

这个是脱落监测，你也不想采了半天的寂寞吧？

前面是电极接触模型，模拟人体皮肤与电极之间的接触电阻。使用电容和电阻来模拟

保护电阻：限制流过人体的电流，确保安全。

一个廉价的DAC

放大后的信号与参考电压进行比较，如果信号幅值低于设定的阈值，则判断为导联脱落。中间是个比较器。

这个我不好翻译，直流脱落激励

外部拉升/拉下拉电阻：通过外部电阻将导联的一端连接到电源或地，形成一个直流偏置。
电流源/电流汇，通过配置寄存器，将导联的一端连接到一个恒定电流源或电流汇，提供更稳定的偏置。

通过外部电阻或电流源/汇，在导联上施加一个直流偏置电压。生物电信号叠加在直流偏置上，共同被放大器放大。当导联脱落时，由于没有生物电信号的叠加，放大器的输出会发生变化，从而触发比较器产生报警信号。

同样的原理也有加在RLD的

这个是测量在脑袋上面的电压量级

频率情况

在头皮表面确定两条线，第一条为鼻根（Nasion）至枕外隆凸（Inion）的前后连线，第二条为左右耳前凹之间的左右连线，这两条连线的交点处于头顶处，即为电极Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后连线的长度设为100%，沿着鼻根至枕外隆凸的前后连线，从鼻根向后距离为10%的位置定为Fpz电极位置，从Fpz向后每隔20%的距离定义一个电极位置，从前向后依次为Fz、Cz、Pz和Oz，其中电极Oz距离枕外隆凸的长度为10%；左右耳前凹之间的左右连线长度同样设为100%，沿着这条左右连线，从左侧耳前凹向右距离为10%的位置定为T3电极位置，从T3向右每隔20%的距离设置一个电极，从左到右依次为C3、Cz、C4和T4，其中T4电极距离右侧耳前凹的长度为10%；电极有特定的字母和数字进行标记，其中：
F为额叶（Frontal）
T为颞叶（Temporal）
P为顶叶（Parietal）
O为枕叶（Occipital）
C为中央区（Central，大脑没有这个区，是为了方便识别更为典型的脑电活动，如运动相关的通常在C3和C4）“z”表示放置在中线上的电极，偶数表示大脑右侧的电极，奇数表示放置在大脑左侧的电极。

看一个不错的芯片，BMD101，就一对儿

这个是MicroChip的一个方案，可以看到是两个铜片

这个是数据流图

在原理图的绘制上面，有保护二极管，和接地

还发现了一个这样的，很明显就是USB转串口，ESP32模组，ADS1299，电源，扩展板也是SPI的另外一个接口。

这隔离了啥，都WIFI传输了

行吧，也是USB走了串口

ADS1299也是差分的输入类型

一对儿一对儿的

ADS1299是最多的8通道

这个偏置电路就是右腿驱动电路

都是差分输入

淘宝还有一个这样的模块，还做的很小

我手边还有类比的芯片

和ADS129x是几乎一模一样的

同样差分

顺便也打打广告，这个阻抗是真的猛，5GΩ

也有在前端加入缓冲的，后面是SPI的隔离

多个片子合在一起，但是这个D类功放是什么鬼啊？

肌电也OK

这个是AED，救人的

带你认识AED-无限跑题版 以前也写过

再看看，扎实的AD7771

但是缺少了断联和右腿驱动这些

这个片子确实是更加的偏向于精密测量类

差分

每个通道包含一个ADC调制器和一个sinc3/sinc5低延迟数字滤波器。采用采样速率转换器(SRC)来对AD7771输出数据速率(ODR)进行精细分辨率控制。

这种控制可用于线频率变化为0.01 Hz时，ODR分辨率需要维持相干性的应用。SRC可通过串行端口接口(SPI)编程。AD7771实现了两种不同接口：数据输出接口和SPI控制接口。

ADC数据输出接口专门用于将ADC转换结果从AD7771发送至处理器。SPI写入或读取AD7771配置寄存器，并控制和读取逐次逼近寄存器(SAR) ADC数据。SPI还可配置为输出Σ-Δ转换数据。

其实这个片子里面的一个特色是，转换率可以修改，以及相干测量。

调整采样率：通过插值或抽取的方式，将输入信号的采样率转换为所需的输出采样率。
心电图（ECG）信号包含多个频段的信息，如低频的心率变异性和高频的QRS波。
  1. 将ECG信号下采样到较低的采样率，分析心率变异性。
  2. 将ECG信号上采样到更高的采样率，分析QRS波的形态。
保证相干性（即周期信号取样，其中信号周期的整数倍与预先确定的取样窗口相匹配。）：在频率变化较小的情况下，SRC可以保持相干性，保证信号的连续性。

简单来说就是追踪频率变化

但使用起来需要引脚多，为了更加快速的输出也需要使用FPGA。

再看个老朋友的

事实上这个不是专门采生物电的，不过性能和架构是OK的。

差不多的架构

他家手册都是中文的不错！

朴实无华

阻抗不高

还找到一个AFE+MCU的，就是这磨片子了？

也是差分输入

再看一个

双通道

牛逼死的阻抗

这个芯片是我非常喜欢的一个

设计的别有心裁，我后面的一篇是去年写的，是这个文章的补充。

https://download.mikroe.com/documents/datasheets/BMD101.pdf
https://www.sichiray.com/blog/eeg-8b0c330c-b61d-4049-944d-f896ae9ad974
https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005345A.pdf

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云深之无迹
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