电子听诊器的设计

电子听诊器的设计

摘要

老式的听诊器声音微弱，而且塞在耳朵里很不舒服，既不能隔离环境噪声，也不能调节频率响应。本设计的电子听诊器由于设有放大器，因此可将微弱的心跳声放大到清晰可闻的程度。本文设计的电子听诊器包括放大电路、滤波电路、电压比较器电路，还包括输出端的音频放大器，此设备具有良好的分析波形能力，能够将设置好的频率段以外的声音频率滤除，故可以清晰的得到放大以后的心音信号，这样有助于医务人员提高初诊的准确度，也为进一步诊断做好了基础。根据所要达到的要求，拾音头MIC将选用普通振膜拾音头就可以达到理想的频率响应和较低的背景噪声。

关键词：电子听诊器；音频放大器；滤波电路

Design of Electron Stethoscope

Abstract

People nowadays are so busy that they usually neglect their own health. This condition usually results in people’s symptom of illness such as diseases in cardiovascular system and respiratory system. Those diseases make people reduce their efficiency, lower their life quality. Those diseases also waste huge medical resources. Personal health care can estimate people’s 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 that 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

目录

第一章绪论 (1)

1.1本文的研究目的和意义 (1)

1.2电子听诊器的发展趋势 (1)

第二章电子听诊器的工作原理 (2)

2.1电子听诊器的基本原理 (2)

2.2信号采集 (3)

2.3 电压放大器 (3)

2.4 低通滤波器 (3)

2.5 信号输出级 (4)

第三章电子听诊器的具体设计电路 (5)

3.1 心音传感器及其放大电路 (5)

3.2 心音（呼吸音）滤波器 (6)

3.3 比较器 (8)

3.4 计数、译码、显示电路 (8)

3.5 耳机功率放大器 (8)

3.6 其他附加电路 (9)

第四章电路仿真分析 (10)

4.1 总体电路图 (10)

4.1.1各部分组成 (10)

4.1.2元器件选择 (11)

4.1.3元器件参数 (11)

4.2 仿真 (12)

4.2.1 放大电路IC1输出电压波形 (13)

4.2.2 滤波电路IC2 (13)

4.2.3 IC3电压跟随器 (14)

4.2.4 IC5运放后电压波形 (15)

第五章结束语 (16)

参考文献 (17)

电子听诊器的设计绪论

第一章绪论

通过体外获取人体内脏器官活动的声音，医护人员可以初步判断出病因，临床工作中经常要借助于听诊器。然而，传统听诊器存在由于压管压力问题导致的外耳道不适、音质易受干扰等弊端。本设计的电子听诊器由于设有放大器，因此可将微弱的心跳声放大到清晰可闻的程度。电子听诊器除了能清晰的监听病人的胸、腹声音之外，还可以用在搜索机械噪声源等方面，其输出信号还可以用录音设备记录下来，供分析病情或机械故障类型使用。

1.1本文的研究目的和意义

沿用了多年的听诊器听诊心音，虽然方法简单，但往往难以捕捉到人体内部脏器发出的一些微弱但却非常重要的生物声，致使医生无法及时做出诊断，且诊断的依据主要根据医师的经验，准确性较差。从另一角度讲，人耳对声音的敏感是声强与频率的综合效应，因而一些病理特征难以捕捉。这就需要设计出一种新颖的电子听诊器对听诊音进行定量、准确的分析。

本文设计的电子听诊器包括放大电路、滤波电路、电压比较器电路，还包括输出端的音频放大器，此设备具有良好的分析波形能力，能够将设置好的频率段以外的声音频率滤除，故可以清晰的得到放大以后的心音信号，这样有助于医务人员提高初诊的准确度，也为进一步诊断做好了基础。

1.2电子听诊器的发展趋势

目前国内与国外电子听诊器产品在价格、功能上的差异较大，国内产品较国外而言还存在较大差距，自行开发和研制功能强大，性能优良，价格低廉的新型电子听诊器意义重大。主体电路都差不多，无非是更加完善，而滤波电路和信号输出等尤为重要，这是体现一个电子听诊器好坏的标准。

电子听诊器具有如下特色：均选用常规元器件，通过元器件合理选型与电路的精心设计、调试，达到既稳定可靠、有较高显示精度，又具有较低的成本、操作简易的特点；既能检测普通的心音和呼吸音，又能捕捉特殊的心音和肺音、肠鸣音；检测结果既可以通过耳机监听，还可以录音重放及数字显示。

第二章电子听诊器的工作原理

2.1电子听诊器的基本原理

电子听诊器的原理如图2.1所示，该电子听诊器由两大部分组成：监听部分和心率显示部分。具体由拾音头MIC、前置级电路、滤波器、功率放大器、比较器和计数显示电路构成。本设计将设计一个电子听诊器，由于其中传声器所接收到的频率信号是很微弱且是宽带的，我们需要把它放大并要求滤除对听诊无用的杂波。因此我们需要做高精度的放大、滤波电路。如果被监测的是心音信号，则它首先将送入前置级电路中，进一步放大后，经过滤波器，滤除放大器本身及外界传入的高频噪声以及心音信号中没有诊断价值的高频成分。而其中滤波器输出的信号，一方面要求经比较器作用后，转换成可驱动计数电路工作的脉冲信号，通过计数显示电路显示心率值；另一方面，要求滤波器输出的信号经功率放大后供多人监听。

信号采集单元利用拾音头MIC将声音信号转变为可供后级单元处理的电压信号。将该电压信号进行放大，再送入低通滤波器，以滤除高频噪声信号。滤波器的输出信号即可输入计算机进行频谱分析。由于患者体内病变的器官或组织会产生异常的声音信号，这些声音信号在其频率与特定的谱线相对应，因此，将频谱分析的结果实时地显示出来，通过对这些谱线的分析能获得更准确和有价值的诊断结果。所获取的声音信号和频谱分析结果也可以保存在计算机里，这既可作为诊断的依据，也可用来判断治疗的效果。电子听诊器的结构框图见图2.2。

2.2 信号采集

信号采集级选用普通的振膜式拾音头,用一端橡皮管与驻极体话筒连接。将驻极体话筒放置在橡皮管内，由拾音头捡拾到的心音信号通过橡皮管传给驻极体话筒，起到捡拾心音信号的作用。

2.3 电压放大器

根据后级电路处理要求，有必要对采集到的电压信号进行放大。电压同相放大电

路示意图见图2.3。

图2.3 电压同相放大电路示意图

在图2.3电路中，输入电压和输出电压的关系为：

564

0153411

R R R V R R R V +=

?+? (2.1)

通过调节分压器4R 可以使该电路的输出电压限定在合适的范围里。

2.4 低通滤波器

为滤除得到的电压信号中的噪声信号，以便于后级数字电路对获得的信号进行快速傅里叶变换，可以采用二阶巴特沃思低通滤波器对信号进行滤波，见图2.4

C1

图2.4 二阶低通滤波电路示意图

该电路的转折频率为：

12c f π

=

?

结合考虑相移因素，可以得到一组合适的电阻、电容参数值。

2.5 信号输出级

通过上面介绍的几个环节的处理，已经得到一个可进行数字处理的声音检测信号。在信号处理级，该信号可被送入数字信号处理芯片的A/D 转换口，将其转变为数字信号，在芯片内部，通过对采集到的信号进行快速傅里叶变换即可得到被检测信号的频谱。该频谱可用示波器显示出来。由于患者体内的病变部位或组织会发出一些异常的杂音，该杂音在示波器屏幕上与一定频段的谱线相对应。因此，对获得的频率信号的观察将使诊断更为准确。获得的频谱信号也可以保存在计算机的存储空间，在对患者的医治过程中，通过对比研究多次测量获得的频谱信号，医护人员可以准确地判断出医疗效果。

第三章电子听诊器的具体设计电路

3.1 心音传感器及其放大电路

由于心音频率为20~600 Hz，肺音频率为100~1500 Hz，肠鸣音频率为20~1500 Hz 内，均在人耳所能听到的声音范围的中低频率段，因此选用话筒作为声音传感器。在声音传感器(话筒)中又有很多种：驻极体式、动圈式和电容式等。对传感器的选取原则是：灵敏度高，抗干扰能力强，除了要提取微弱的心、肠、肺音的信号外，还要求它不受人声等信号的干扰，因此需要指向性为心型的传声器。驻极体式话筒的灵敏度高，价格低，但指向性不佳；动圈式话筒的灵敏度欠佳，但是指向性最好，价格也较贵；电容式话筒的灵敏度最好，声音特性最为平坦，容易受干扰，价格也很贵。考虑到诸多因素，故选用驻极体式话筒。

传感器放大电路如图3.1所示。电路以NE5532集成运放构成对称放大电路，在信号传输的过程中采用双芯屏蔽线，在传输的末端利用差分放大电路的共模抑制特性将信号传输过程中的各种温度、电磁波、电源等造成的外界噪声干扰信号抑制和抵消掉。工作原理如下：由心脏发出的声音经驻极体式话筒转化为电信号后，通过阻抗匹配电路(由R1、R2、R3、R4构成)与抗干扰电路(C1组成)从IC1的5脚和3脚输入进行平衡放大；IC1与IC2A构成平衡放大器；R5、R6、R7构成电流并联负反馈电路，放大倍率约为34倍；再经R8、R9进入IC2A构成的加法电路进行信号混合，R10、R11决定放大倍率为1；后由C4耦合输出。第二级为缓冲放大电路，如图3.2所示。放大电路由IC2B、C5、C6、C7、R11、R12、R13及C8构成。C5、C7为音频耦合电容；R12、R13和C6构成电压并联负反馈网络，放大倍率为R12//R13=10倍。

图3.1 传感器放大电路示意图

OUT

图3.2 缓冲放大电路

3.2 心音（呼吸音）滤波器

心音的频率范围是20~600Hz ，肠音的频率范围是20~1500Hz ，肺音的频率范围是100~1500Hz 。根据它们的频率分布特点，适当的选择高通、低通滤波器，再设置一个多向选择开关对它们进行分别选取，就能设计出一个可以分别听取心、肺、肠音的多功能电子听诊器。普遍的，选用四路电子选通开关CD4066，其中三路开关用作心、肺、肠音的选取，剩下的一路开关用来控制语音芯片的录、放音。开关选通控制使用一脉冲计数/分配器CD4017进行计数/分配后送往CD4066进行信源切换。滤波器功能选择框图如图3.3所示。

IC3为1500 Hz 四阶压控电压源低通滤波器，电路如图3.4所示。由R14~R23及

C9~C14构成，其中R15=R16=R20=R21=18K，C9=CIO=C12=C13=6800pF，分频点F0=1/(2*3.14*RC)。IC4为100Hz高通滤波器，如图3.5所示，由R24~R31及C15~C20构成；其中C15=C16=C18=C19=0.1uF，R24=R25=R28=R29=15K，分频点

F0=1/(2*3.14*RC)。

C96800p

图3.4 1500Hz四阶压控电压源低通滤波器

R24

图3.5 100Hz高通滤波器

3.3 比较器

信号在放大之后要送入数字电路进行计数，要求比较器非常精确且特别稳定。病人的一次心跳。计数器要计数几十至几百次，且心跳的声音频率在几百赫兹左右。因此我们选用IC6B 构成的施密特触发器，提供计数器的计数脉冲。只要滞回比较器的两个阈值电压的回差电压大于干扰的电压变化幅度，比较器输出端的极性、电压就不会改变，这样就可有效抑制干扰信号。施密特触发器构成的比较器电路如图3.6所示。

R47

IN

图3.6 比较器

3.4 计数、译码、显示电路

计数器的功能是将比较器比较得出的方波脉冲信号进行计数，人的心跳一般从几十到一百多，显示范围应在000~999。因此我们采用8421BCD 码三位输出的二/十进制同步加计数器CD4538和CD4543、LED 组成计数显示电路。

3.5 耳机功率放大器

由IC10构成耳机推动放大器，它的输出功率足以推动32欧姆的耳塞式耳机。电路原理见图3.7所示。

图3.7 耳机功率放大器示意图

3.6 其他附加电路

为了电子听诊器能够更方便的为人们服务，加入了录音电路和显示心跳状态的发光二极管驱动电路。为了便于医生进行观察，设计了一个显示心跳状态的发光二极管驱动电路，用一个发光二极管的点亮与否，来观察被测者的心跳状态。录音电路选用ISD25120语音芯片实现录音功能，以保证录取足够长的时间，这样可以使该产品更好地为诊断病情提供可靠依据。

第四章电路仿真分析

4.1 总体电路图

BE

图4.1 电子听诊器总图

4.1.1各部分组成

1．拾音器电路由传声器BM和R1等组成。

2．前置放大器由集成运算放大电路IC1和电阻器R2-R5等组成。

3．低通滤波放大器由运算放大集成电路IC2和电阻器R6-R8、电容器C3、C4等组成，其截止频率略大于100Hz。

4．缓冲放大器由集成运算放大电路IC3担任。

5．音频放大器由音量电位器RP、低电压音频放大集成电路IC4、电阻器R13、电容器C5、C6等组成。

6．LED显示电路由双色发光二极管LED、驱动放大集成电路IC5和电阻器R9-R12组成。

7．拾音传感器拾取的信号经IC1-IC4滤波与放大后，驱动耳机BE发声。经IC2等低通滤波后的音频信号再经IC5进一步放大处理，驱动发光二极管LED与耳机中的声音同步闪亮。

8．调节RP的阻值，可改变耳机中音量的大小。

9．改变电阻器R5和R6的阻值大小，可改变低通滤波器的截止频率，从而改变该电子听诊器的频响效果。

4.1.2元器件选择

1．R1-R4和R7-R13选用1/4W或1/8W金属膜电阻器;R5和R6均选用密封式可变电阻器。

2．RP选用小型合成碳膜电位器。

3．C1和C5均选用耐压值为16V的铝电解电容器;C2-C4和C6选用涤纶电容器或独石电容器。

4．LED选用二端双色发光二极管，也可以用两只φ3mm的发光二极管(红色、绿色各一只)反向并联后代用。

5．IC1-IC3和IC5均选用LM741或μA741型单集成运算放大电路;IC4选用LM386型音频放大集成电路。

6．BE选用优质双声道立体声耳机。

7．拾音传感器可自制:用传统听诊器的振膜头，在振膜耳把上套一只3~5CM长的橡胶管，在橡胶管的另一头装人一只超小型驻极体传声器。传声器与电路之司用屏蔽电缆连接好。话筒处应用热缩套管加固或用胶带捆扎，以防操作时产生噪声干扰。

4.1.3元器件参数

1 C1 470uF

2 C2 0.047uF

3 C3 0.047uF

4 C4 0.047uF

5 C5 1000uF

6 C6 0.1uF

7 D3 LED

8 D4 LED

9 R1 10k

10 R2 2.2k

11 R3 47k

12 R4 2.2k

13 R5 33k

14 R6 33k

15 R7 33k

16 R8 56k

17 R9 2.2k

18 R10 10k

19 R11 1k

20 R11 330k

21 R12 1k

22 R13 3.3k

23 R14 2.5k

24 IC1 LM741

25 IC2 LM741

26 IC3 LM741

27 IC5 LM741

28 IC4 LM386

4.2 仿真

仿真用电路图如下图4.2，为仿真方便，部分已去掉，主要观察特定点的电压变化。

VOFF = 0

R17

1k 图4.2 仿真用电路图

用ORCAD仿真时，拾音器用5mV 400Hz交流电代替，主要观察IC1-IC4处的电压变化状况。

4.2.1 放大电路IC1输出电压波形

如图4.3得知，经过运放后，输入电压的5mV被放大了6倍，到达30mV。也就是说，心音通过拾音头转换成的电压在IC1后放大了6倍。

图4.3 通过IC1运放后电压仿真波形

4.2.2 滤波电路IC2

仿真IC2滤波后的得到的波形如图4.4，分析频谱特性

图4.4 IC2滤波功能频谱特性

从图4.4中可以看出IC2的带宽为1.152kHz到10.546kHz，在人耳所能接受的音频范围内。

图4.5 IC2后电压波形

根据仿真图可以看出IC2后的波形峰值已经达到了9V，而形成有波谷，是因为IC2的滤波作用，把心音频段以外的波形滤除，导致电压为零。

4.2.3 IC3电压跟随器

电压通过IC3电压跟随器后波形不变，与IC2输出一样，但是增加了输入阻抗，使得电压不随负载的变化而变化。信号通过IC4后，也就是通过LM386低功耗音频放大器，进行对输出信号的最后一次放大，使得可以驱动双声道立体声耳机的工作，或者其他外设，比如说计数器、译码器、显示器等等。

图4.6 通过电压比较器后的波形

4.2.4 IC5运放后电压波形

图4.7 IC5后波形

IC5主要是驱动发光二极管工作，表示电源和信号输入灯，用户可以根据自己的使用需要，安装相应的设备，达到理想的目的。

第五章结束语

本文通过对市面上已生产的电子听诊器进行理论分析和研究，设计了一款简易的电子听诊器，意在把在书本上学到的知识运用到实际中。本设计的优点是元器件价格低廉，生产步骤简单，适用于初步检测病人。本设计省去了对输出单元的介绍，为的是让设计更加简洁，主要的处理单元更加明显，功能模块的处理方式更加透彻。在实际应用中，通过本文设计的电子听诊器，再加上一点外设输出装置，即可以成为功能非常多的实用电子听诊器，可以投入市场，发展前景良好，也可以大大改善医务人员的初诊准确度。

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