本发明专利技术公开了一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：输出斩波调制后的脑电信号和电极间直流偏移信号；步骤S2：输出电极间直流偏移电流；步骤S3：提取积分直流偏移信号；步骤S5：所述脑电信号进入芯片放大模块进行放大处理，解调制，并返回至原始的脑电信号频段，得到原始的脑电信号；步骤S6：所述原始的脑电信号经过低通滤波器滤波得到滤除噪声的脑电信号；步骤S7：将所述滤除噪声的脑电信号传入数模转换器转换为数字信号。本发明专利技术有效抑制了电极间直流偏移，相比传统的直流伺服回路减小了过程延时，同时，电路中输入电容与前馈电容容值相同，可采用ABBA式版图排列方式，有效避免了芯片制作时的工艺误差。的工艺误差。的工艺误差。
【技术实现步骤摘要】
一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法及系统
[0001]本专利技术涉及集成电路设计
，尤其涉及一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法。
技术介绍
[0002]随着当代科技的不断发展，对于人体中最复杂的器官
‑
大脑的研究成为学者们关注的重点。脑机接口技术通过脑电信号采集、特征提取、特征分类和外部控制等几个部分，还原大脑运作机制，控制外部设备。目前，随着智能可穿戴技术的快速发展，可以通过穿在身上或整合到服饰、配件中的智能可穿戴设备，实时采集脑电信号，实现智能控制。
[0003]可穿戴脑电采集设备所采集脑电信号的质量直接决定着数据的好坏。由于人体产生的原始脑电信号几乎都在100赫兹以下，频率低且电压幅值较小，因此，所采集到的脑电信号需经过放大、滤波、数字化后方可传递至后端进行数字信号处理。而在脑电信号采集过程中，通常使用湿性/干性电极对脑电信号进行采集，湿性电极在使用过程中需要通过加入导电胶以及搅拌的手法保证电极阻抗处于较低水平，但过程繁琐且会对受试者头皮带来可能的伤害。而在可穿戴脑电采集系统中通常使用干性电极，这种电极由于不需要打胶，使用方式简便，非常适合于普通日常穿戴与电生理监测。但由于干性电极阻抗较大（通常为MΩ级别），且干性电极与头皮间存在空隙，在头部不同采集位点处的采集电极间会存在直流电压差，通常这种电压差称之为直流电压偏移。在常规的交流耦合放大器中，这种因采集电极导致的较大的直流电压偏移（通常为10mV至500mV）会直接被输入电容滤除而不会影响到采集模块的放大单元正常工作，但采用常规的交流耦合放大器存在输入噪声高的缺陷，因此在针对微弱信号（如脑电信号等）的采集过程中，通常使用斩波放大器将输入信号进行调制以避开输入端的闪烁噪声，而后在输出端将放大的信号解调制再通过滤波消除放大过程中的噪声，但通过斩波调制的方式对信号进行放大会导致放大器的采集模式由交流耦合变为直流耦合，其无法针对直流电压偏移进行滤除，而当采集电极间的直流偏移电压通过斩波调制进入放大器后，会导致放大器的输出电压饱和，无法针对目标的脑电信号进行正常的放大工作，且使其后的模数转换器以及整个接收机功能失效。
[0004]针对斩波放大器无法滤除电极间直流电压偏移的问题，常用的做法是通过在斩波调制单元前添加去耦合电容来实现对直流电压偏移的滤除，但这种方案需要电容值较大（通常为100nF级别）的去耦合电容，其电容体积较大，不适合于可穿戴设备，且会大幅降低系统的输入阻抗。另一种办法是通过直流伺服回路，在放大器输出端将直流分量提取出来，继而在放大器输入端进行反馈以消除直流电压偏移，但这种方案由于反馈速度慢，且会引入噪声，不适合于在较大的直流电压偏移条件下工作。
[0005]为此，针对以上各种消除电极间直流电压偏移技术的缺陷，本专利技术提出一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法及系统以此解决上述技术问题。
技术实现思路
[0006]本专利技术为了解决上述技术问题，提出一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，包括以下步骤：步骤S1：将穿戴于颅外的干电极脑电采集设备采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端进入调制斩波单元一进行斩波调制，输出斩波调制后的脑电信号和电极间直流偏移信号；步骤S2：所述电极间直流偏移信号通过输入电容输出电极间直流偏移电流；步骤S3：将穿戴于颅外的干电极脑电采集设备采集到的输入信号通过直流伺服回路的输入端进入积分模块进行积分滤波，滤波后经过调制斩波单元二进行斩波调制提取积分直流偏移信号，且调制斩波单元一与调制斩波单元二的信号为同频反向调制；步骤S4：所述积分直流偏移信号通过前馈电容输出前馈直流偏移电流；步骤S5：利用所述电极间直流偏移电流和所述前馈直流偏移电流的相位相反进行相互抵消，所述脑电信号进入芯片放大模块进行放大处理，经过放大的脑电信号通过解调制斩波单元进行解调制，并返回至原始的脑电信号频段，得到放大脑电信号；步骤S6：所述放大脑电信号经过低通滤波器滤波得到滤除噪声的脑电信号；步骤S7：将所述滤除噪声的脑电信号传入模数转换器转换为数字信号。
[0008]进一步地，所述调制斩波单元一的斩波调制频率为16k赫兹，所述积分模块的截止频率为0.1赫兹。
[0009]进一步地，所述积分模块包括积分器、两个积分电容和两个积分电阻，所述积分器的两端连接两个所述积分电容，两个所述积分电容的外侧分别连接两个所述积分电阻。所述积分电容的容值为3pF，积分电阻的阻抗为100G欧姆，积分电容为片上MIM电容，积分电阻由两个PMOS晶体管通过背靠背结构搭建的伪电阻构成。
[0010]进一步地，所述电极间直流偏移电流和所述前馈直流偏移电流的相位相反，幅值相同。
[0011]进一步地，所述芯片放大模块包括芯片放大器、两个反馈电容和两个反馈电阻，所述芯片放大器的两端连接两个所述反馈电容，两个所述反馈电容的外侧分别连接两个所述反馈电阻。
[0012]进一步地，所述芯片放大器增益设计为60dB，带宽为30K赫兹，采用单级闭环全差分放大器结构。
[0013]进一步地，所述信号放大通路内的所述调制斩波单元一和所述解调制斩波单元的控制信号为同步信号，斩波调制频率和解调制斩波频率均为16k赫兹。
[0014]进一步地，所述调制斩波单元一的输入端和所述解调制斩波单元的输出端还设置有正反馈回路，所述正反馈回路由两个阻抗提升电容构成。
[0015]进一步地，所述低通滤波器的截止频率为200赫兹，所述模数转换器的精度为10Bit。
[0016]本专利技术还提供一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的系统，包括：调制斩波单元一：用于斩波调制输入信号，并输出斩波调制后的脑电信号和电极
间直流偏移信号；该调制斩波单元一包含两个输入端（输入端1和2），两个输出端（输出端1和2），并由四个开关电路控制，具有两个工作相位（相位1和2），在相位1时，流入输入端1 的信号流至输出端1，流入输入端2的信号流至输出端2，在相位2时，流入输入端1 的信号流至输出端2，流入输入端2的信号流至输出端1，相位1和相位2的周期相同，且互不重叠；输入电容：用于将所述电极间直流偏移信号转化为电极间直流偏移电流；积分模块：用于对输入信号积分滤波，提取滤波后的直流偏移信号；调制斩波单元二：用于将提取后的直流偏移信号进行斩波调制得到积分直流偏移信号；该调制斩波单元二包含两个输入端（输入端1和2），两个输出端（输出端1和2），并由四个开关电路控制，具有两个工作相位（相位1和2），在相位1时，流入输入端1 的信号流至输出端1，流入输入端2的信号流至输出端2，在相位2时，流入输入端1 的信号流至输出端2，流入输入端2的信号流至输出端1，相位1和相位2的周期相同，且互不重叠，调制斩波单元一与调制斩波单元二由同一个时钟信号控制；前馈电容：用于将积分直流偏移信号转化为前馈直流偏移电流；芯片放大模块：用于将传输过来的脑电信号进行放大处理，得到放大后的脑电信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将穿戴于颅外的干电极脑电采集设备采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端进入调制斩波单元一进行斩波调制，输出斩波调制后的脑电信号和电极间直流偏移信号；步骤S2：所述电极间直流偏移信号通过输入电容输出电极间直流偏移电流；步骤S3：将穿戴于颅外的干电极脑电采集设备采集到的输入信号通过直流伺服回路的输入端进入积分模块进行积分滤波，滤波后经过调制斩波单元二进行斩波调制提取积分直流偏移信号，且调制斩波单元一与调制斩波单元二的信号为同频反向调制；步骤S4：所述积分直流偏移信号通过前馈电容输出前馈直流偏移电流；步骤S5：利用所述电极间直流偏移电流和所述前馈直流偏移电流的相位相反进行相互抵消，所述脑电信号进入芯片放大模块进行放大处理，经过放大的脑电信号通过解调制斩波单元进行解调制，并返回至原始的脑电信号频段，得到放大脑电信号；步骤S6：所述放大脑电信号经过低通滤波器滤波得到滤除噪声的脑电信号；步骤S7：将所述滤除噪声的脑电信号传入模数转换器转换为数字信号。2.如权利要求1所述的一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，其特征在于，所述调制斩波单元一的斩波调制频率为16k赫兹，所述积分模块的截止频率为0.1赫兹。3.如权利要求1所述的一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，其特征在于，所述积分模块包括积分器、两个积分电容和两个积分电阻，所述积分器的两端连接两个所述积分电容，两个所述积分电容的外侧分别连接两个所述积分电阻。4.如权利要求1所述的一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，其特征在于，所述电极间直流偏移电流和所述前馈直流偏移电流的相位相反，幅值相同。5.如权利要求1所述的一种基于斩波技术消除电极间直流偏移的方法，其特征在于，所述芯片放大模块包括芯片放大器、两个反馈...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐弢，丁曦，魏依娜，冯琳清，刘金标，王丽婕，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。