電子聽診器的設(shè)計(jì)[優(yōu)選材料]

1、電子聽診器的設(shè)計(jì)摘 要老式的聽診器聲音微弱，而且塞在耳朵里很不舒服，既不能隔離環(huán)境噪聲，也不能調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)。本設(shè)計(jì)的電子聽診器由于設(shè)有放大器，因此可將微弱的心跳聲放大到清晰可聞的程度。本文設(shè)計(jì)的電子聽診器包括放大電路、濾波電路、電壓比較器電路，還包括輸出端的音頻放大器，此設(shè)備具有良好的分析波形能力，能夠?qū)⒃O(shè)置好的頻率段以外的聲音頻率濾除，故可以清晰的得到放大以后的心音信號(hào)，這樣有助于醫(yī)務(wù)人員提高初診的準(zhǔn)確度，也為進(jìn)一步診斷做好了基礎(chǔ)。根據(jù)所要達(dá)到的要求，拾音頭MIC將選用普通振膜拾音頭就可以達(dá)到理想的頻率響應(yīng)和較低的背景噪聲。關(guān)鍵詞：電子聽診器；音頻放大器；濾波電路Design of Elec

2、tron StethoscopeAbstractPeople nowadays are so busy that they usually neglect their own health. This condition usually results in peoples symptom of illness such as diseases in cardiovascular system and respiratory system. Those diseases make people reduce their efficiency, lower their life quality.

3、 Those diseases also waste huge medical resources. Personal health care can estimate peoples health condition. Consequently people will be healthy and it also provides psychological well-being. In this study, we design an electronic stethoscope system which can separate heart and lung sounds, so tha

4、t the interference from the heart and lung sounds to each other will be minimized. The separated heart and lung sounds can be recorded and analyzed in a personal computer.Key words：Electron stethoscope, Audio frequency amplifier, Rejector目 錄第一章 緒論11.1本文的研究目的和意義11.2電子聽診器的發(fā)展趨勢(shì)1第二章 電子聽診器的工作原理22.1電子聽診器的

5、基本原理22.2信號(hào)采集32.3 電壓放大器32.4 低通濾波器32.5 信號(hào)輸出級(jí)4第三章 電子聽診器的具體設(shè)計(jì)電路53.1 心音傳感器及其放大電路53.2 心音（呼吸音）濾波器63.3 比較器83.4 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路83.5 耳機(jī)功率放大器83.6 其他附加電路9第四章 電路仿真分析104.1 總體電路圖104.1.1各部分組成104.1.2元器件選擇114.1.3元器件參數(shù)114.2 仿真124.2.1 放大電路IC1輸出電壓波形134.2.2 濾波電路IC2134.2.3 IC3電壓跟隨器144.2.4 IC5運(yùn)放后電壓波形15第五章 結(jié)束語16參考文獻(xiàn)17二類優(yōu)質(zhì)#第一章 緒論

6、通過體外獲取人體內(nèi)臟器官活動(dòng)的聲音，醫(yī)護(hù)人員可以初步判斷出病因，臨床工作中經(jīng)常要借助于聽診器。然而，傳統(tǒng)聽診器存在由于壓管壓力問題導(dǎo)致的外耳道不適、音質(zhì)易受干擾等弊端。本設(shè)計(jì)的電子聽診器由于設(shè)有放大器，因此可將微弱的心跳聲放大到清晰可聞的程度。電子聽診器除了能清晰的監(jiān)聽病人的胸、腹聲音之外，還可以用在搜索機(jī)械噪聲源等方面，其輸出信號(hào)還可以用錄音設(shè)備記錄下來，供分析病情或機(jī)械故障類型使用。1.1本文的研究目的和意義沿用了多年的聽診器聽診心音，雖然方法簡(jiǎn)單，但往往難以捕捉到人體內(nèi)部臟器發(fā)出的一些微弱但卻非常重要的生物聲，致使醫(yī)生無法及時(shí)做出診斷，且診斷的依據(jù)主要根據(jù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性較差。從另一角

7、度講，人耳對(duì)聲音的敏感是聲強(qiáng)與頻率的綜合效應(yīng)，因而一些病理特征難以捕捉。這就需要設(shè)計(jì)出一種新穎的電子聽診器對(duì)聽診音進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的分析。本文設(shè)計(jì)的電子聽診器包括放大電路、濾波電路、電壓比較器電路，還包括輸出端的音頻放大器，此設(shè)備具有良好的分析波形能力，能夠?qū)⒃O(shè)置好的頻率段以外的聲音頻率濾除，故可以清晰的得到放大以后的心音信號(hào)，這樣有助于醫(yī)務(wù)人員提高初診的準(zhǔn)確度，也為進(jìn)一步診斷做好了基礎(chǔ)。1.2電子聽診器的發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外電子聽診器產(chǎn)品在價(jià)格、功能上的差異較大，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品較國(guó)外而言還存在較大差距，自行開發(fā)和研制功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良，價(jià)格低廉的新型電子聽診器意義重大。主體電路都差不多，無非是更加

8、完善，而濾波電路和信號(hào)輸出等尤為重要，這是體現(xiàn)一個(gè)電子聽診器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。電子聽診器具有如下特色：均選用常規(guī)元器件，通過元器件合理選型與電路的精心設(shè)計(jì)、調(diào)試，達(dá)到既穩(wěn)定可靠、有較高顯示精度，又具有較低的成本、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)；既能檢測(cè)普通的心音和呼吸音，又能捕捉特殊的心音和肺音、腸鳴音；檢測(cè)結(jié)果既可以通過耳機(jī)監(jiān)聽，還可以錄音重放及數(shù)字顯示。二類優(yōu)質(zhì)#第二章 電子聽診器的工作原理2.1電子聽診器的基本原理電子聽診器的原理如圖2.1所示，該電子聽診器由兩大部分組成：監(jiān)聽部分和心率顯示部分。具體由拾音頭MIC、前置級(jí)電路、濾波器、功率放大器、比較器和計(jì)數(shù)顯示電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)一個(gè)電子聽診器，由于其中

9、傳聲器所接收到的頻率信號(hào)是很微弱且是寬帶的，我們需要把它放大并要求濾除對(duì)聽診無用的雜波。因此我們需要做高精度的放大、濾波電路。如果被監(jiān)測(cè)的是心音信號(hào)，則它首先將送入前置級(jí)電路中，進(jìn)一步放大后，經(jīng)過濾波器，濾除放大器本身及外界傳入的高頻噪聲以及心音信號(hào)中沒有診斷價(jià)值的高頻成分。而其中濾波器輸出的信號(hào)，一方面要求經(jīng)比較器作用后，轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)電路工作的脈沖信號(hào)，通過計(jì)數(shù)顯示電路顯示心率值；另一方面，要求濾波器輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大后供多人監(jiān)聽。信號(hào)采集電壓放大器低通濾波器信號(hào)輸出圖2.1 電子聽診器原理示意圖信號(hào)采集單元利用拾音頭MIC將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┖蠹?jí)單元處理的電壓信號(hào)。將該電壓信號(hào)進(jìn)行放

10、大，再送入低通濾波器，以濾除高頻噪聲信號(hào)。濾波器的輸出信號(hào)即可輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析。由于患者體內(nèi)病變的器官或組織會(huì)產(chǎn)生異常的聲音信號(hào)，這些聲音信號(hào)在其頻率與特定的譜線相對(duì)應(yīng)，因此，將頻譜分析的結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來，通過對(duì)這些譜線的分析能獲得更準(zhǔn)確和有價(jià)值的診斷結(jié)果。所獲取的聲音信號(hào)和頻譜分析結(jié)果也可以保存在計(jì)算機(jī)里，這既可作為診斷的依據(jù)，也可用來判斷治療的效果。電子聽診器的結(jié)構(gòu)框圖見圖2.2。拾音頭MIC放大電路濾波器功率放大器揚(yáng)聲器比較器計(jì)數(shù)器譯碼器顯示器圖2.2 電子聽診器的結(jié)構(gòu)框圖2.2 信號(hào)采集信號(hào)采集級(jí)選用普通的振膜式拾音頭,用一端橡皮管與駐極體話筒連接。將駐極體話筒放置在橡皮管內(nèi)，

11、由拾音頭撿拾到的心音信號(hào)通過橡皮管傳給駐極體話筒，起到撿拾心音信號(hào)的作用。2.3 電壓放大器 根據(jù)后級(jí)電路處理要求，有必要對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。電壓同相放大電路示意圖見圖2.3。 圖2.3 電壓同相放大電路示意圖在圖2.3電路中，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為： (2.1)通過調(diào)節(jié)分壓器可以使該電路的輸出電壓限定在合適的范圍里。2.4 低通濾波器為濾除得到的電壓信號(hào)中的噪聲信號(hào)，以便于后級(jí)數(shù)字電路對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，可以采用二階巴特沃思低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，見圖2.4圖2.4 二階低通濾波電路示意圖該電路的轉(zhuǎn)折頻率為： (2.2)結(jié)合考慮相移因素，可以得到一組合適的電阻、電容

12、參數(shù)值。2.5 信號(hào)輸出級(jí)通過上面介紹的幾個(gè)環(huán)節(jié)的處理，已經(jīng)得到一個(gè)可進(jìn)行數(shù)字處理的聲音檢測(cè)信號(hào)。在信號(hào)處理級(jí)，該信號(hào)可被送入數(shù)字信號(hào)處理芯片的A/D轉(zhuǎn)換口，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在芯片內(nèi)部，通過對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換即可得到被檢測(cè)信號(hào)的頻譜。該頻譜可用示波器顯示出來。由于患者體內(nèi)的病變部位或組織會(huì)發(fā)出一些異常的雜音，該雜音在示波器屏幕上與一定頻段的譜線相對(duì)應(yīng)。因此，對(duì)獲得的頻率信號(hào)的觀察將使診斷更為準(zhǔn)確。獲得的頻譜信號(hào)也可以保存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間，在對(duì)患者的醫(yī)治過程中，通過對(duì)比研究多次測(cè)量獲得的頻譜信號(hào)，醫(yī)護(hù)人員可以準(zhǔn)確地判斷出醫(yī)療效果。二類優(yōu)質(zhì)#第三章 電子聽診器的具體設(shè)計(jì)電路3.

13、1 心音傳感器及其放大電路由于心音頻率為20600 Hz，肺音頻率為1001500 Hz，腸鳴音頻率為201500 Hz內(nèi)，均在人耳所能聽到的聲音范圍的中低頻率段，因此選用話筒作為聲音傳感器。在聲音傳感器(話筒)中又有很多種：駐極體式、動(dòng)圈式和電容式等。對(duì)傳感器的選取原則是：靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，除了要提取微弱的心、腸、肺音的信號(hào)外，還要求它不受人聲等信號(hào)的干擾，因此需要指向性為心型的傳聲器。駐極體式話筒的靈敏度高，價(jià)格低，但指向性不佳；動(dòng)圈式話筒的靈敏度欠佳，但是指向性最好，價(jià)格也較貴；電容式話筒的靈敏度最好，聲音特性最為平坦，容易受干擾，價(jià)格也很貴?？紤]到諸多因素，故選用駐極體式話筒。傳

14、感器放大電路如圖3.1所示。電路以NE5532集成運(yùn)放構(gòu)成對(duì)稱放大電路，在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中采用雙芯屏蔽線，在傳輸?shù)哪┒死貌罘址糯箅娐返墓材Ｒ种铺匦詫⑿盘?hào)傳輸過程中的各種溫度、電磁波、電源等造成的外界噪聲干擾信號(hào)抑制和抵消掉。工作原理如下：由心臟發(fā)出的聲音經(jīng)駐極體式話筒轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過阻抗匹配電路(由R1、R2、R3、R4構(gòu)成)與抗干擾電路(C1組成)從IC1的5腳和3腳輸入進(jìn)行平衡放大；IC1與IC2A構(gòu)成平衡放大器；R5、R6、R7構(gòu)成電流并聯(lián)負(fù)反饋電路，放大倍率約為34倍；再經(jīng)R8、R9進(jìn)入IC2A構(gòu)成的加法電路進(jìn)行信號(hào)混合，R10、R11決定放大倍率為1；后由C4耦合輸出。第二級(jí)為

15、緩沖放大電路，如圖3.2所示。放大電路由IC2B、C5、C6、C7、R11、R12、R13及C8構(gòu)成。C5、C7為音頻耦合電容；R12、R13和C6構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，放大倍率為R12/R13=10倍。圖3.1 傳感器放大電路示意圖圖3.2 緩沖放大電路3.2 心音（呼吸音）濾波器心音的頻率范圍是20600Hz，腸音的頻率范圍是201500Hz，肺音的頻率范圍是1001500Hz。根據(jù)它們的頻率分布特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)倪x擇高通、低通濾波器，再設(shè)置一個(gè)多向選擇開關(guān)對(duì)它們進(jìn)行分別選取，就能設(shè)計(jì)出一個(gè)可以分別聽取心、肺、腸音的多功能電子聽診器。普遍的，選用四路電子選通開關(guān)CD4066，其中三路開關(guān)用作心

16、、肺、腸音的選取，剩下的一路開關(guān)用來控制語音芯片的錄、放音。開關(guān)選通控制使用一脈沖計(jì)數(shù)/分配器CD4017進(jìn)行計(jì)數(shù)/分配后送往CD4066進(jìn)行信源切換。濾波器功能選擇框圖如圖3.3所示。1500Hz低通濾波器600Hz低通濾波器100Hz高通濾波器語音芯片控制四路選擇開關(guān)開關(guān)選通控 制OUTPUT圖3.3 濾波器功能選擇框圖IC3為1500 Hz四階壓控電壓源低通濾波器，電路如圖3.4所示。由R14R23及C9C14構(gòu)成，其中R15=R16=R20=R21=18K，C9=CIO=C12=C13=6800pF，分頻點(diǎn)F0=1/(2*3.14*RC)。IC4為100Hz高通濾波器，如圖3.5所示，

17、由R24R31及C15C20構(gòu)成；其中C15=C16=C18=C19=0.1uF，R24=R25=R28=R29=15K，分頻點(diǎn)F0=1/(2*3.14*RC)。圖3.4 1500Hz四階壓控電壓源低通濾波器圖3.5 100Hz高通濾波器3.3 比較器信號(hào)在放大之后要送入數(shù)字電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，要求比較器非常精確且特別穩(wěn)定。病人的一次心跳。計(jì)數(shù)器要計(jì)數(shù)幾十至幾百次，且心跳的聲音頻率在幾百赫茲左右。因此我們選用IC6B構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，提供計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。只要滯回比較器的兩個(gè)閾值電壓的回差電壓大于干擾的電壓變化幅度，比較器輸出端的極性、電壓就不會(huì)改變，這樣就可有效抑制干擾信號(hào)。施密特觸發(fā)器構(gòu)成的比

18、較器電路如圖3.6所示。圖3.6 比較器3.4 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路計(jì)數(shù)器的功能是將比較器比較得出的方波脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，人的心跳一般從幾十到一百多，顯示范圍應(yīng)在000999。因此我們采用8421BCD碼三位輸出的二/十進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器CD4538和CD4543、LED組成計(jì)數(shù)顯示電路。3.5 耳機(jī)功率放大器由IC10構(gòu)成耳機(jī)推動(dòng)放大器，它的輸出功率足以推動(dòng)32歐姆的耳塞式耳機(jī)。電路原理見圖3.7所示。圖3.7 耳機(jī)功率放大器示意圖3.6 其他附加電路為了電子聽診器能夠更方便的為人們服務(wù)，加入了錄音電路和顯示心跳狀態(tài)的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路。為了便于醫(yī)生進(jìn)行觀察，設(shè)計(jì)了一個(gè)顯示心跳狀態(tài)的發(fā)光二極管

19、驅(qū)動(dòng)電路，用一個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與否，來觀察被測(cè)者的心跳狀態(tài)。錄音電路選用ISD25120語音芯片實(shí)現(xiàn)錄音功能，以保證錄取足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這樣可以使該產(chǎn)品更好地為診斷病情提供可靠依據(jù)。二類優(yōu)質(zhì)#第四章 電路仿真分析4.1 總體電路圖圖4.1 電子聽診器總圖4.1.1各部分組成1拾音器電路由傳聲器BM和R1等組成。2前置放大器由集成運(yùn)算放大電路IC1和電阻器R2-R5等組成。3低通濾波放大器由運(yùn)算放大集成電路IC2和電阻器R6-R8、電容器C3、C4等組成，其截止頻率略大于100Hz。4緩沖放大器由集成運(yùn)算放大電路IC3擔(dān)任。5音頻放大器由音量電位器RP、低電壓音頻放大集成電路IC4、電阻器R13

20、、電容器C5、C6等組成。6LED顯示電路由雙色發(fā)光二極管LED、驅(qū)動(dòng)放大集成電路IC5和電阻器R9-R12組成。7拾音傳感器拾取的信號(hào)經(jīng)IC1-IC4濾波與放大后，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)BE發(fā)聲。經(jīng)IC2等低通濾波后的音頻信號(hào)再經(jīng)IC5進(jìn)一步放大處理，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED與耳機(jī)中的聲音同步閃亮。8調(diào)節(jié)RP的阻值，可改變耳機(jī)中音量的大小。9改變電阻器R5和R6的阻值大小，可改變低通濾波器的截止頻率，從而改變?cè)撾娮勇犜\器的頻響效果。4.1.2元器件選擇1R1-R4和R7-R13選用1/4W或1/8W金屬膜電阻器;R5和R6均選用密封式可變電阻器。2RP選用小型合成碳膜電位器。3C1和C5均選用耐壓值為16V的

21、鋁電解電容器;C2-C4和C6選用滌綸電容器或獨(dú)石電容器。4LED選用二端雙色發(fā)光二極管，也可以用兩只3mm的發(fā)光二極管 (紅色、綠色各一只)反向并聯(lián)后代用。5IC1-IC3和IC5均選用LM741或A741型單集成運(yùn)算放大電路;IC4選用LM386型音頻放大集成電路。6BE選用優(yōu)質(zhì)雙聲道立體聲耳機(jī)。7拾音傳感器可自制:用傳統(tǒng)聽診器的振膜頭，在振膜耳把上套一只35CM長(zhǎng)的橡膠管，在橡膠管的另一頭裝人一只超小型駐極體傳聲器。傳聲器與電路之司用屏蔽電纜連接好。話筒處應(yīng)用熱縮套管加固或用膠帶捆扎，以防操作時(shí)產(chǎn)生噪聲干擾。4.1.3元器件參數(shù)1C1 470uF2C2 0.047uF3C3 0.047u

22、F4C4 0.047uF5C5 1000uF6C6 0.1uF7D3 LED8D4 LED9R1 10k10R2 2.2k11R3 47k12R4 2.2k13R5 33k14R6 33k15R7 33k16R8 56k17R9 2.2k18R10 10k19R11 1k20R11 330k21R12 1k22R13 3.3k23R14 2.5k24IC1 LM74125IC2 LM74126IC3 LM74127IC5 LM74128IC4 LM3864.2 仿真仿真用電路圖如下圖4.2，為仿真方便，部分已去掉，主要觀察特定點(diǎn)的電壓變化。圖4.2 仿真用電路圖用ORCAD仿真時(shí)，拾音器用5m

23、V 400Hz交流電代替，主要觀察IC1-IC4處的電壓變化狀況。4.2.1 放大電路IC1輸出電壓波形如圖4.3得知，經(jīng)過運(yùn)放后，輸入電壓的5mV被放大了6倍，到達(dá)30mV。也就是說，心音通過拾音頭轉(zhuǎn)換成的電壓在IC1后放大了6倍。圖4.3 通過IC1運(yùn)放后電壓仿真波形4.2.2 濾波電路IC2 仿真IC2濾波后的得到的波形如圖4.4，分析頻譜特性圖4.4 IC2濾波功能頻譜特性從圖4.4中可以看出IC2的帶寬為1.152kHz到10.546kHz，在人耳所能接受的音頻范圍內(nèi)。圖4.5 IC2后電壓波形 根據(jù)仿真圖可以看出IC2后的波形峰值已經(jīng)達(dá)到了9V，而形成有波谷，是因?yàn)镮C2的濾波作用，把心音頻段以外的波形濾除，導(dǎo)致電壓為零。4.2.3 IC3電壓跟隨器電壓通過IC3電壓跟隨器后波形不變，與IC