¿Cómo configurar un experimento para medir SNR para un amplificador EEG?

He construido un amplificador EEG con una ganancia de 2000 y un ancho de banda de 1~40Hz.

Utilizo un amplificador de instrumentos para el preamplificador y un amplificador operacional no inversor como postamplificador y, finalmente, el límite de banda a 40 Hz con un LPF de cuarto orden.

Me gustaría medir la SNR para mi amplificador EEG, pero no conozco la configuración adecuada y, por lo tanto, realizo los siguientes pasos experimentales y verifique por mí si estoy haciendo lo correcto.

Cómo registro la medición: conecto la salida analógica al pin SADC de ARM MCU. La tasa de muestreo del ADC es de 7000 muestras por segundo

Mi entrada: una onda sinusoidal diferencial del generador de funciones a 10 Hz

Mi salida: una onda sinusoidal amplificada @ 10Hz @ ganancia = 2000

1. Mida el Vrms para el ruido

1.1 Deje que la entrada de INA se abra y luego encienda el amplificador.

1.2 Mida la salida y registre los datos ADC

1.3 Grabo la salida durante ~5 segundos, lo que me da ~50 000 datos

1.4 Selecciono una porción de 10,000 muestras de datos continuos, que son 1-10001 muestras de datos

1.5 Calcule el Vrsm usando una ecuación similar proporcionada aquí

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. Mida el Vrms para la señal

2.1 Deje que la entrada se conecte a un generador de onda sinusoidal diferencial

Repita 1.2, 1.3, 1.4. 1.5 para calcular el Vrms de la señal.

3. Calcular la SNR (db)

SNR(db) = 20 log (Vrms, señal / Vrms, ruido);

Mi pregunta: ¿Estoy haciendo lo correcto para la medición de SNR?

Editar : pregunta de actualización

Ahora estoy confundido. La MCU se alimenta a 5 V desde una placa de evaluación, mientras que mi sistema se alimenta a 3,3 V. El MCU SADC está tomando la medida de voltaje en el pin SADC con referencia a 0V (GND).

Sin embargo, mi sistema AGND está en 1.65V.

Por lo tanto, ¿cómo debo conectar la salida de mi sistema a la placa de evaluación?

Intento los siguientes escenarios:

1. Conecte el pin SADC a la salida de mi amplificador EEG y conecte el MCU GND a mi EEG AVGND

Medirá el ruido de esta manera, que es un pico agudo:

pico de ruido

2. Conecte el pin SADC a la salida de mi amplificador EEG y conecte el MCU GND a mi tierra EEG 0V

Medirá el ruido de esta manera, que parece un ruido de potencia:

parece ruido de potencia

Cual es la correcta? o ambos mal?

¿Es G=2000 suficiente para realizar una buena lectura? Recuerdo que tuvimos que hacer G = 1M para amplificar las señales de EEG que están en el orden de microvoltios a varios voltios para encajar en el rango de resolución de ADC.
funciona el circuito?? No menciona cómo está eliminando DC antes de la amplificación. Necesita suficiente margen para permitir aproximadamente 150 mV de potenciales de unión de electrodos
@Naz G=2000no es suficiente para la práctica. Pero en mi experimento, estoy simulando una entrada sinusoidal Vpp de 200uV y me da una salida sinusoidal Vpp de 400mV. En la práctica, aumento la ganancia a 8000 y me da un pico de ~ 600 mV para parpadear. Tengo uso RLD. @Scott Seidman Sí. Está funcionando. Todavía estoy considerando la retroalimentación de restauración de DC. ¿Es realmente útil? ¿Qué significa dejar suficiente margen para potenciales de unión de electrodos de 150 mV?
Quiero decir que la señal de CC en cualquier electrodo dado puede diferir de la de cualquier otro en un número del orden de decenas de milivoltios solo por la química del electrodo y cómo se adhiere a la piel. Si multiplicas esa diferencia por 2000, ¿estás saturado? ¿Cuál es la ganancia de tu escenario y dónde eliminas el sesgo de DC?
@jhyap Ya veo, por lo que está realizando el ERG, quizás EOG, pero no EEG. EEG es para Electroencefalograma. Buena suerte de cualquier manera.
@Scott Seidman Tengo una red de acoplamiento de CA en la parte delantera antes de INA. Ahora estoy considerando los comentarios del integrador sobre el INA mientras leo que ayuda a reducir el voltaje de modo común.
Cualquier cosa frente al INA dañará tu CMRR, si no tienes mucho cuidado. Sugiero una INA de ganancia modesta, seguida de un filtrado de paso alto, seguido de etapas de ganancia más grandes.
Ese es el problema al que me enfrento ahora. Pero el INA necesitaría una corriente de polarización para su entrada y, por lo tanto, estoy optimizando el front-end. Después del INA, tengo un HPF y luego un amplificador no inversor para el postamplificador.
@Naz El punto que estoy midiendo es fp1/fp2. Así que creo que sigue siendo un EEG. Solo que fp1/fp2 dará un pico significativo mientras parpadea y, por lo tanto, verificará que el amplificador esté funcionando.
CLARAMENTE, el método 1 es incorrecto. Su amplificador está saturado en el extremo inferior y solo obtiene la mitad de su ruido.

Respuestas (3)

Sí, ese es un enfoque razonable, excepto que también querrá calcular la media (sesgo de CC) de sus 10000 muestras y restar eso de las muestras individuales antes de elevarlas al cuadrado para el cálculo de RMS. Esto es equivalente a usar un filtro de paso alto para bloquear DC.

¿En realidad? Ok, lo haré antes de cuadrarlo. ¡Gracias!
¿La salida en respuesta a una entrada flotante no será absolutamente enorme?
si, 6 decimales
@Dave Tweed ¿Deberían ambos medir también menos el sesgo de CC o solo por el ruido?

Creo que tienes una configuración de prueba bastante buena. Al realizar la medición de ruido en el paso 1, recomendaría conectar las dos entradas diferenciales de su amplificador usando una impedancia que coincida con la impedancia de salida de su detector. Además, acepto que debe restar la compensación de CC antes de calcular Vrms como recomendó el otro usuario.

También puede probar simultáneamente la distorsión (SINAD) de la siguiente manera. (tenga en cuenta que su prueba actual le dará señal + distorsión a la relación de ruido en su lugar):

  1. Tomar datos está en su paso 2.
  2. Calcule la FFT de los datos tomados.
  3. Bloquee la ventana más pequeña posible alrededor del pico creado por su onda sinusoidal en la FFT.
  4. Calcule la potencia de la señal desde dentro de su bloque y luego calcule la potencia de ruido y distorsión como todo lo demás en la FFT.

Recomendaría usar una herramienta como el software wavevision de National Instruments, que hará esto y más por usted.

Con respecto a la conexión a tierra, parece que en el n. ° 1, su señal está fuera del alcance de su ADC (parece que se dispara en 0). Dadas las dos opciones, me quedaría con la n.° 2, pero puede haber una alternativa aún mejor. Podría considerar abrir esto como una pregunta separada para que pueda entrar en más detalles sobre qué suministros de voltaje está usando y obtener comentarios más enfocados en ese aspecto.

Entonces estamos de acuerdo en que para medir el ruido en SNR para mi amplificador, debemos dejar la entrada abierta (sin conectar nada). Pero, ¿qué significa "impedancia que coincide con la impedancia de salida de mi detector"? Y en su recomendación, me sugiere que mida solo la señal. Luego separe la señal y el ruido a través de FFT. Luego, finalmente, use el resultado del espectro de potencia para calcular la SNR. ¿Bien?
No, quiero decir que debe estar conectado por una resistencia, o tal vez una carga compleja si entiendes la impedancia de salida de lo que sea que esté impulsando tu amplificador lo suficientemente bien. Por ejemplo, si su entrada es una antena de 50 ohmios, entonces sería bueno usar una resistencia de 50 ohmios para conectar a tierra su entrada. Si su entrada es un preamplificador con una impedancia de salida de 1k-ohm, use 1k-ohm.
En cuanto al uso de la FFT, el propósito es caracterizar también la distorsión de su amplificador. En algunas aplicaciones, esto puede no ser importante para usted, por lo que puede decidir si desea hacerlo o no. La idea detrás de esto es que si su amplificador está distorsionando su onda sinusoidal, entonces la FFT mostrará armónicos adicionales, generalmente en frecuencias más altas. Estos armónicos no aparecerán con una entrada silenciosa.
La sugerencia de carga de entrada es razonable y clara ahora. ¡Muchas gracias! ^^

tomaría un enfoque diferente

SNR es una configuración de medición simple, necesita tener el ff: 1.) fuente de ruido de potencia conocida (voltaje) 2.) fuente de señal (función gen en su caso) 3.) Un combinador (generalmente pasivo) 4.) Un medios para calificar la detección en su caso un ADC

Configuración: 1.) asegúrese de que la potencia de ruido y la potencia de generación de función se puedan configurar al mismo nivel (potencia o voltaje) (resuelva los problemas de impedancia) 2.) Asegúrese de que la potencia de generación de función pueda alcanzar al menos 12dB-20dB sobre la potencia de ruido. 3.) asegúrese de que puede hacer un paso de voltaje de 1-2dB sobre la potencia del ruido. 4.) calibre todo en dB y dBm en su caso me conformo con 600ohms (balanceado o no balanceado) en dBm y dB.

Prueba: 1. combine el ruido y el generador de funciones y cárguelos acoplados a un amplificador EEG (el voltaje de CC no será un problema) 2. Establezca la potencia de ruido y la potencia de la señal como iguales (el voltaje de inicio no necesita ser muy bajo) 3. Salida de muestra (a través del tiempo fijo estará bien a través de n muestras fijas será mejor) 4. aumente la potencia de la señal otros 1-2dB (resuelva el paso que desea usar) 5. luego realice el paso 3 hasta que haya aumentado hasta 20dB por encima del punto de partida.

Determinación del umbral de SNR: 1. Puede hacer esto subjetivamente observando la forma de onda de la señal donde el rechazo de ruido es el mejor. o 2. calcule la onda sinusoidal menos distorsionada de sus muestras o 3. use su dispositivo de detección previsto para subjetivamente 4. O use métodos complejos comparando la señal de entrada con la señal de salida y calcule la desviación estándar. Buena SNR es 3 sigma excelente SNR es alrededor de 6 sigma.

desviación estándar e intervalo de confianza

Si no me equivoco, existen herramientas de software que se utilizan para calibrar amplificadores de audio que utilizan las funciones de audio de su PC/portátil para medir la SNR. Incluso tiene un generador de ruido, un generador de funciones y un fft. Utilicé uno hace mucho tiempo (hace 9 años) para calibrar un preamplificador de bobina móvil y funcionó bien, pero olvidé el nombre del paquete de software (era gratuito). Pruebe estos, tal vez funcionen:

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

http://www.esseraudio.com/

¿Quiere decir inyectar señal y ruido en la entrada al mismo tiempo? El resultado de INA es V+ - V-. Entonces, ¿quieres decir que necesito conectar el V+ como fuente de señal y el V- como fuente de ruido?
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