Wie richtet man ein Experiment ein, um das SNR für einen EEG-Verstärker zu messen?

Ich habe einen EEG-Verstärker mit einer Verstärkung von 2000 und einer Bandbreite von 1 ~ 40 Hz gebaut.

Ich verwende einen Instrumentenverstärker als Vorverstärker und einen nichtinvertierenden Operationsverstärker als Nachverstärker und schließlich eine Bandbegrenzung bei 40 Hz mit einem LPF 4. Ordnung.

Ich möchte das SNR für meinen EEG-Verstärker messen, aber ich kenne die richtige Einrichtung nicht und deshalb komme ich mit den folgenden Versuchsschritten heraus und bitte überprüfen Sie für mich, ob ich das Richtige tue.

Wie ich die Messung aufzeichne: Ich verbinde den analogen Ausgang mit dem SADC-Pin der ARM MCU. Die ADC-Abtastrate beträgt 7000 Abtastungen pro Sekunde

Meine Eingabe: Eine differenzielle Sinuswelle vom Funktionsgenerator bei 10 Hz

Meine Ausgabe: Eine verstärkte Sinuswelle bei 10 Hz bei Verstärkung = 2000

1. Vrms für Rauschen messen

1.1 Lassen Sie den Eingang von INA öffnen und schalten Sie dann den Verstärker ein.

1.2 Messen Sie den Ausgang und zeichnen Sie die ADC-Daten auf

1.3 Ich zeichne die Ausgabe für ca. 5 Sekunden auf, wodurch ich ca. 50.000 Daten erhalte

1.4 Ich wähle einen Teil von 10.000 kontinuierlichen Datenstichproben aus, was 1-10001 Datenstichproben entspricht

1.5 Berechnen Sie den Vrsm unter Verwendung der hier bereitgestellten ähnlichen Gleichung

1.5.1 Calculate the power of 2 for each of the 10, 000 data
1.5.2 Calculate the average result of the total data (which is divided by 10000)
1.5.3 Vrms = Square root the result of average of 10, 000 data

2. Veff für Signal messen

2.1 Lassen Sie den Eingang mit einem differentiellen Sinuswellengenerator verbinden

Wiederholen Sie 1.2, 1.3, 1.4. 1.5, um den Vrms des Signals zu berechnen.

3. Berechnen Sie das SNR (db)

SNR(db) = 20 log (Vrms, Signal / Vrms, Rauschen);

Meine Frage: Mache ich das Richtige für die SNR-Messung?

Edit : Frage aktualisieren

Jetzt bin ich verwirrt. Die MCU wird von einem Evaluierungsboard mit 5 V versorgt, während mein System mit 3,3 V versorgt wird. Die MCU SADC nimmt die Spannungsmessung am Pin SADC in Bezug auf 0V (GND) vor.

Mein System AGND liegt jedoch bei 1,65 V.

Wie soll ich also den Ausgang meines Systems mit dem Evaluierungsboard verbinden?

Ich versuche folgende Szenarien:

1. Verbinden Sie den SADC-Pin mit meinem EEG-Verstärkerausgang und verbinden Sie den MCU GND mit meinem EEG AVGND

Es wird das Rauschen wie folgt messen, was eine scharfe Spitze ist:

Spitzengeräusch

2. Verbinden Sie den SADC-Pin mit meinem EEG-Verstärkerausgang und verbinden Sie die MCU GND mit meiner EEG 0V-Masse

Es misst das Rauschen wie folgt, was wie ein Leistungsrauschen aussieht:

sieht nach Stromrauschen aus

Welches ist das Richtige? oder beides falsch?

Reicht G=2000 aus, um eine gute Messung durchzuführen? Ich erinnere mich, dass wir G = 1 M machen mussten, um EEG-Signale zu verstärken, die in der Größenordnung von Mikrovolt bis zu mehreren Volt liegen, um in den ADC-Auflösungsbereich zu passen.
Funktioniert die Schaltung?? Sie erwähnen nicht, wie Sie DC vor der Verstärkung entfernen. Sie benötigen genügend Headroom, um etwa 150 mV an Elektrodenübergangspotentialen zu ermöglichen
@Naz G=2000ist nicht genug für die Praxis. Aber in meinem Experiment simuliere ich einen 200-uV-Vpp-Sinuseingang und gebe mir einen 400-mV-Vpp-Sinusausgang. In der Praxis erhöhe ich die Verstärkung auf 8000 und es gibt mir eine Spitze von ~ 600 mV für das Augenzwinkern. Ich habe RLD verwenden. @Scott Seideman Ja. Es funktioniert. Ich denke immer noch über das DC-Wiederherstellungsfeedback nach. Ist es wirklich nützlich? Was bedeutet es, genügend Spielraum für 150-mV-Elektrodenübergangspotentiale zu lassen?
Ich meine, dass sich das Gleichstromsignal an einer bestimmten Elektrode von dem an jeder anderen um eine Zahl in der Größenordnung von mehreren zehn Millivolt unterscheiden kann, nur aufgrund der Elektrodenchemie und der Art und Weise, wie es an der Haut haftet. Wenn Sie diese Differenz mit 2.000 multiplizieren, sind Sie gesättigt? Was ist der Gewinn Ihrer Headstage und wo entfernen Sie die DC-Verzerrung?
@jhyap Ich verstehe, also führen Sie das ERG durch, vielleicht EOG, aber kein EEG. EEG ist für Elektroenzephalogramm. Viel Glück auf jeden Fall.
@Scott Seidman Ich habe vor INA ein Wechselstromkopplungsnetzwerk am Frontend. Ich denke jetzt über das Integrator-Feedback zum INA nach, da ich gelesen habe, dass es hilft, die Gleichtaktspannung zu reduzieren.
Alles vor dem INA wird Ihrem CMRR schaden, wenn Sie nicht sehr vorsichtig sind. Ich schlage eine bescheidene INA-Verstärkung vor, gefolgt von einer Hochpassfilterung, gefolgt von größeren Verstärkungsstufen.
Das ist das Problem, vor dem ich jetzt stehe. Aber der INA würde einen Bias-Strom für seinen Eingang brauchen und deshalb optimiere ich das Front-End. Nach dem INA habe ich einen HPF und dann einen nicht invertierenden Verstärker für den Nachverstärker.
@Naz Der Punkt, den ich messe, ist fp1/fp2. Also ich denke, es ist immer noch ein EEG. Nur dass fp1/fp2 beim Augenblinzeln einen signifikanten Peak liefert und somit bestätigt, dass der Verstärker funktioniert.
DEUTLICH ist Methode 1 falsch. Ihr Verstärker ist am unteren Ende gesättigt und Sie erhalten nur die Hälfte Ihres Rauschens.

Antworten (3)

Ja, das ist ein vernünftiger Ansatz, außer dass Sie auch den Mittelwert (DC-Bias) Ihrer 10000 Samples berechnen und diesen von den einzelnen Samples subtrahieren möchten, bevor Sie sie für die RMS-Berechnung quadrieren. Dies entspricht der Verwendung eines Hochpassfilters zum Blockieren von Gleichstrom.

Wirklich? Ok, ich werde das tun, bevor ich es quadriere. Danke schön!
Wird die Ausgabe als Reaktion auf eine schwebende Eingabe nicht absolut riesig sein?
Ja, 6 Dezimalstellen
@Dave Tweed Sollten beide Messungen auch abzüglich der DC-Vorspannung oder nur für das Rauschen erfolgen?

Ich denke, Sie haben ein ziemlich gutes Test-Setup. Wenn Sie Ihre Rauschmessung in Schritt 1 durchführen, würde ich empfehlen, die beiden Differenzeingänge Ihres Verstärkers mit einer Impedanz zu verbinden, die der Ausgangsimpedanz Ihres Detektors entspricht. Außerdem stimme ich zu, dass Sie den DC-Offset subtrahieren sollten, bevor Sie Vrms berechnen, wie der andere Benutzer empfohlen hat.

Sie können auch gleichzeitig auf Verzerrung (SINAD) wie folgt testen. (Beachten Sie, dass Ihr aktueller Test Ihnen stattdessen das Verhältnis von Signal + Verzerrung zu Rauschen liefert):

  1. Nehmen Sie Daten in Schritt 2.
  2. Berechnen Sie die FFT der aufgenommenen Daten.
  3. Blockieren Sie das kleinstmögliche Fenster um die von Ihrer Sinuswelle in der FFT erzeugte Spitze.
  4. Berechnen Sie die Signalleistung innerhalb Ihres Blocks und berechnen Sie dann die Rausch- und Verzerrungsleistung wie alles andere in der FFT.

Ich würde empfehlen, ein Tool wie die Wavevision-Software von National Instruments zu verwenden, die dies und mehr für Sie erledigt.

In Bezug auf die Erdung sieht es so aus, als ob Ihr Signal in Nr. 1 außerhalb der Reichweite Ihres ADC liegt (es scheint bei 0 zu sein). Angesichts der beiden Optionen würde ich mich für Nr. 2 entscheiden, aber es könnte eine noch bessere Alternative geben. Sie können dies als separate Frage öffnen, damit Sie genauer darauf eingehen können, welche Spannungsversorgungen Sie verwenden, und ein gezielteres Feedback zu diesem Aspekt erhalten.

Wir sind uns also einig, dass wir zur Messung des Rauschens im SNR für meinen Verstärker den Eingang offen lassen sollten (nichts anschließen). Aber was bedeutet „Impedanz, die mit der Ausgangsimpedanz meines Detektors übereinstimmt“? Und in Ihrer Empfehlung schlagen Sie mir vor, nur das Signal zu messen. Trennen Sie dann Signal und Rauschen durch FFT. Verwenden Sie dann schließlich das Ergebnis des Leistungsspektrums, um das SNR zu berechnen. Rechts?
Nein, ich meine, es sollte über einen Widerstand oder vielleicht eine komplexe Last angeschlossen werden, wenn Sie die Ausgangsimpedanz dessen, was Ihren Verstärker antreibt, gut genug verstehen. Wenn Ihr Eingang beispielsweise eine 50-Ohm-Antenne ist, dann wäre ein 50-Ohm-Widerstand gut geeignet, um Ihren Eingang zu erden. Wenn Ihr Eingang ein Vorverstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 1 kOhm ist, verwenden Sie 1 kOhm.
Wie bei der Verwendung der FFT besteht der Zweck darin, auch die Verzerrung Ihres Verstärkers zu charakterisieren. In einigen Anwendungen ist dies für Sie möglicherweise nicht wichtig, sodass Sie entscheiden können, ob Sie dies tun möchten oder nicht. Die Idee dahinter ist, dass, wenn Ihr Verstärker Ihre Sinuswelle verzerrt, die FFT zusätzliche Harmonische zeigt, typischerweise bei höheren Frequenzen. Diese Obertöne werden bei einem leisen Eingang nicht angezeigt.
Der Vorschlag der Eingangslast ist jetzt vernünftig und klar. Vielen Dank! ^^

Ich würde einen anderen Ansatz wählen

SNR ist ein einfacher Messaufbau, Sie müssen Folgendes haben: 1.) Rauschquelle mit bekannter Leistung (Spannung) 2.) Signalquelle (in Ihrem Fall Funktionsgen) 3.) Ein Combiner (normalerweise passiv) 4.) A Mittel zur qualifizierenden Erkennung in Ihrem Fall ein ADC

Einrichtung: 1.) Stellen Sie sicher, dass die Rauschleistung und die Funktionserzeugungsleistung auf den gleichen Pegel (Leistung oder Spannung) eingestellt werden können (beheben Sie Impedanzprobleme) 2.) Stellen Sie sicher, dass die Funktionserzeugungsleistung mindestens 12 dB-20 dB über der Rauschleistung erreichen kann. 3.) Stellen Sie sicher, dass Sie einen Spannungssprung von 1-2 dB über der Rauschleistung vornehmen können. 4.) kalibriere alles in dB und dBm in deinem Fall werde ich mit 600Ohm (symmetrisch oder unsymmetrisch) in dBm und dB abrechnen.

Test: 1. Kombinieren Sie Rausch- und Funktionsgenerator und laden Sie sie wechselstromgekoppelt mit dem EEG-Verstärker (Gleichspannung wird kein Problem sein) 2. Stellen Sie Rauschleistung und Signalleistung gleich ein (Anfangsspannung muss nicht sehr niedrig sein) 3. Beispielausgabe (über feste Zeit ist ok über feste n Samples wird besser sein) 4. erhöhen Sie die Signalleistung um weitere 1-2 dB (lösen Sie den Schritt, den Sie verwenden möchten) 5. führen Sie dann Schritt 3 aus, bis Sie auf 20 dB über dem Startpunkt erhöht haben.

Bestimmung der SNR-Schwelle: 1. Sie können dies entweder subjektiv tun, indem Sie sich die Signalwellenform ansehen, bei der die Rauschunterdrückung am besten ist. oder 2. Berechnen Sie die am wenigsten verzerrte Sinuswelle aus Ihren Proben oder 3. Verwenden Sie Ihr beabsichtigtes Erkennungsgerät, um subjektiv 4. Oder verwenden Sie komplexe Methoden, indem Sie das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal vergleichen und die Standardabweichung berechnen. Gutes SNR liegt bei 3 Sigma, ausgezeichnetes SNR liegt bei etwa 6 Sigma.

Standardabweichung und Konfidenzintervall

Wenn ich mich nicht irre, gibt es Softwaretools zum Kalibrieren von Audioverstärkern, die die Audiofunktionen Ihres PCs / Laptops zum Messen des SNR verwenden. Es hat sogar ein Noise Gen, Function Gen und FFT. Ich habe vor langer Zeit (vor 9 Jahren) einen verwendet, um einen Vorverstärker mit beweglicher Spule zu kalibrieren, und er hat gut funktioniert, aber den Namen des Softwarepakets vergessen (es war Freeware). Probieren Sie diese aus, vielleicht funktionieren sie:

http://www.satsignal.eu/software/audio.html

http://www.esseaudio.com/

Sie meinen, Signal und Rauschen gleichzeitig am Eingang einzuspeisen? Das Ergebnis von INA ist V+ - V-. Also meinst du, ich muss V+ als Signalquelle und V- als Rauschquelle anschließen?
Wie richtet man ein Experiment ein, um das SNR für einen EEG-Verstärker zu messen?
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