低噪聲電子聽診器的設(shè)計(jì)

樊容

（天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

心音、呼吸音信號(hào)是重要的臨床醫(yī)學(xué)信號(hào)，是進(jìn)行心臟疾病、呼吸系統(tǒng)疾病判別的重要依據(jù)，是醫(yī)生進(jìn)行病因、病灶分析的重要信息?，F(xiàn)如今，在心臟疾病和呼吸系統(tǒng)疾病診斷中，聽診仍舊是醫(yī)生進(jìn)行檢查的主要手段，并且，聽診具有體外檢查無創(chuàng)傷、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是廣為應(yīng)用且不可替代的診斷方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷中，應(yīng)用電子聽診器聽診成為醫(yī)學(xué)發(fā)展的一種趨勢(shì)，各種電子聽診器也相繼出現(xiàn)[1-2]。而一般電子聽診器在使用時(shí)，引入的噪聲較大，容易對(duì)所需要的心音、呼吸音信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，不利于醫(yī)生做出正確的診斷結(jié)果，影響聽診結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性?；诖吮尘?，本文旨在設(shè)計(jì)一種低噪聲的電子聽診器電路，本設(shè)計(jì)引入噪聲小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心音、呼吸音低噪聲的放大，完成了心音、呼吸音的分離，減弱了兩者聽診時(shí)的相互影響，提高了聽診時(shí)的抗干擾能力，保證了聽診結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 整體設(shè)計(jì)思路

由于由聽診器探頭收集到的心音、呼吸音信號(hào)十分微弱，一般大小只有幾個(gè)毫伏到十幾個(gè)毫伏，需要將它進(jìn)行精密放大以達(dá)到聽診的目的。本文設(shè)計(jì)出一種低噪聲電子聽診器電路，把探頭收集到的心音、呼吸音信號(hào)進(jìn)行低噪聲的放大，并將心、呼吸音信號(hào)進(jìn)行分離，最后經(jīng)揚(yáng)聲器（或耳機(jī)）聽取心音、呼吸音信號(hào)。電路主要包括低噪聲的前置放大電路，心音、呼吸音濾波電路以及功率放大電路?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電子聽診器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the electronic stethoscope

將聽診器探頭收集的心音、呼吸音信號(hào)，首先經(jīng)由前置放大電路進(jìn)行初步放大，再分別經(jīng)過心、呼吸音濾波電路將心音、呼吸音分離，最后根據(jù)聽診需要選擇分離的心音、呼吸音，通過功率放大電路進(jìn)行功率放大，經(jīng)由揚(yáng)聲器（或耳機(jī)）進(jìn)行聽診。下面介紹各部分電路的具體設(shè)計(jì)。

2 前置級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

由聽診探頭收集的心音、呼吸音信號(hào)，首先要經(jīng)由前置放大電路進(jìn)行初級(jí)放大。由于噪聲也會(huì)隨放大電路的逐級(jí)放大而增大，所以，作為第一級(jí)放大電路，在設(shè)計(jì)前置級(jí)放大電路時(shí)，應(yīng)使其電路本身產(chǎn)生的噪聲足夠小。并且，在級(jí)聯(lián)電路中，如果第一級(jí)電路增益足夠大時(shí)，后級(jí)電路噪聲的影響可以忽略，級(jí)聯(lián)電路的噪聲性能主要由第一級(jí)決定，因此，本文的核心在于設(shè)計(jì)低噪聲的前置級(jí)放大電路。

2.1 噪聲來源分析

前置級(jí)放大電路噪聲來源包括兩大部分：電路外部噪聲和電路內(nèi)部噪聲。電路外部噪聲主要包括外部環(huán)境噪聲、探頭與皮膚摩擦產(chǎn)生的噪聲以及所要監(jiān)聽的臟器之外其他臟器產(chǎn)生的干擾噪聲等等。這些電路外部噪聲可以通過人工干預(yù)外部環(huán)境噪聲、改良探頭、使用非接觸式傳感器以及濾波等手段來降低或者消除。

放大電路內(nèi)部噪聲主要分為3類[3-4]：熱噪聲、低頻噪聲（又稱1/f噪聲）和散粒噪聲。熱噪聲是一種白噪聲，是由導(dǎo)體中電荷載流子的自由運(yùn)動(dòng)引起的，其譜密度與頻率無關(guān)，在整個(gè)頻帶內(nèi)是平均的。低頻噪聲（又稱1/f噪聲）隨頻率減小而增加，是由直流電流流過不連續(xù)介質(zhì)而導(dǎo)致的，其功率大小遵從

，其中α是常數(shù),通常取1。散粒噪聲也是一種白噪聲，與電流流過器件的PN節(jié)有關(guān)，當(dāng)電荷載流子擴(kuò)散通過PN結(jié)時(shí)，由于載流子速度的不一致使得電流發(fā)生波動(dòng)，從而產(chǎn)生散粒噪聲。這3種噪聲綜合作用在放大器電路中，對(duì)電路產(chǎn)生影響。減弱這3種噪聲的手段是從電路設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用噪聲較低的電路元器件、設(shè)計(jì)噪聲較低的電路連接方式。

2.2 電路元器件選擇

合理選擇和正確使用元器件是降低放大器噪聲的至關(guān)重要的一部分[5-6]。對(duì)要求低噪聲的電路，必須要注重?zé)o源器件的選擇，主要是對(duì)電阻和電容器的選擇，以減小由無源器件產(chǎn)生的噪聲對(duì)電路的影響。電阻應(yīng)選用溫度特性和頻率特性都優(yōu)良的金屬膜電阻，同時(shí)選用額定功率具有足夠富裕的電阻來降低噪聲。而電容器采用云母電容或瓷片電容可以降低噪聲的影響。

而對(duì)于放大電路的核心，電路的有源器件，放大元器件的選擇，首先要考慮其噪聲系數(shù)，選擇噪聲系數(shù)小的放大器件；其次對(duì)于集成放大器件，不應(yīng)一味追求高速的轉(zhuǎn)換效率，選用較低的轉(zhuǎn)換效率有利于高頻噪聲的抑制；另外，還要考慮放大器件的源內(nèi)阻的大小，以實(shí)現(xiàn)源內(nèi)阻的匹配，降低電路噪聲。

2.3 低噪聲前置級(jí)電路的設(shè)計(jì)

要滿足低噪聲前置級(jí)放大器的噪聲指標(biāo)，考慮從以下幾個(gè)電路設(shè)計(jì)方面出發(fā)，得到最佳噪聲性能。

2.3.1 同相放大電路

如圖2所示同相放大電路的輸入噪聲Ein為:

圖2 同相放大電路Fig.2 Non-inverting amplifier circuit

式中第一項(xiàng)EN表示運(yùn)放的總電壓噪聲，包括寬帶電壓噪聲和電壓噪聲；第二項(xiàng)ER表示電阻噪聲即熱噪聲；第三項(xiàng)表示運(yùn)放的電流噪聲。式中 Req=R1∥R2，ER=為噪聲帶寬。

同相放大電路可以滿足對(duì)第一級(jí)放大電路的高輸入阻抗的要求，同相放大電路的輸入阻抗基本由同相端并聯(lián)的偏置電阻確定。而從式(1)中可以看出，同相放大電路的主要噪聲是前兩項(xiàng)，電壓噪聲和電阻的熱噪聲，提高電路的輸入阻抗對(duì)電路的總噪聲影響不大。所以，同相放大電路是適合設(shè)計(jì)成為低噪聲放大器的基礎(chǔ)電路。

2.3.2 并聯(lián)放大器電路

噪聲電壓除以噪聲電流稱為放大器的噪聲源內(nèi)阻，當(dāng)噪聲源內(nèi)阻等于前級(jí)源內(nèi)阻時(shí)，可以獲得最小的噪聲系數(shù)，這種情況稱為噪聲匹配。

將數(shù)個(gè)放大器并聯(lián)可以降低放大器源內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)與信號(hào)源內(nèi)阻的噪聲匹配，減小放大器的噪聲系數(shù)，達(dá)到最佳噪聲系數(shù)。但是受到器件數(shù)量和體積的限制，并聯(lián)的放大器個(gè)數(shù)不宜過多，一般不能達(dá)到最佳噪聲匹配時(shí)的數(shù)量，實(shí)際的噪聲匹配效果與理想匹配相比略差。但在放大器源內(nèi)阻與前級(jí)源內(nèi)阻相差不大，且放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于前級(jí)源內(nèi)阻時(shí)，依舊可以使用此方法達(dá)到降低放大器噪聲系數(shù)的目的。

2.3.3 平均值電路

如圖3所示是放大器平均值電路，這種方法是將若干放大器的輸出端連接在一起，作為平均值電路的輸入端，利用運(yùn)放平均值電路對(duì)所有輸出信號(hào)做平均，以達(dá)到降低噪聲的目的。為了達(dá)到平均值電路的目的，所有的輸入電阻(R1、R2…RN)必須相等，而反饋電阻(Rf)等于單個(gè)輸入電阻的阻值除以輸入電阻的個(gè)數(shù)。在輸入的噪聲源相等的情況下，平均值電路可以達(dá)到減小倍噪聲的效果。

圖3 平均值電路Fig.3 The average circuit

2.3.4 反饋電容

在放大器的反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)電容Cf，稱為反饋電容。反饋電容Cf能夠減小放大器電路的有效帶寬，從而起到降低放大器噪聲的作用。

2.3.5 低噪聲前置級(jí)放大電路

綜合以上方法，設(shè)計(jì)出如圖4所示電路圖。電路設(shè)計(jì)中使用的放大器選用TI公司生產(chǎn)的1.1nV/噪聲、低功耗精密運(yùn)算放大器OPA1612。它具有超低的噪聲系數(shù)，良好的音頻運(yùn)算放大功能，在精心設(shè)計(jì)外圍電路的情況下，能夠達(dá)到低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目的。

電路參數(shù)設(shè)置：

圖4 前置級(jí)放大電路Fig.4 Pre-amplification circuit

放大器 U1、U2、U3與電阻 R1、R2、R4、R5、R6、R7構(gòu)成并聯(lián)同相放大電路，R1=R4=R7=50 Ω,R2=R5=R6=2 kΩ,放大器的增益為Gain=R2/R1=40倍，噪聲增益Gainnoise=41倍。R3為偏置電阻，R3=2 kΩ。 放大器 U4和電阻 R8、R9、R10、R11共同組成平均值電路，R8=R9=R10=1 kΩ，R11=R8/3=332 Ω。電容 C1=1 μF，為隔值電容，起到隔離直流噪聲的作用。電容C2、C3、C4為反饋電容，C2=C3=C4=100 pF。

根據(jù)電路設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，可以計(jì)算前置級(jí)放大電路的輸入、輸出噪聲，電路折合到輸入端的總輸入噪聲電壓Ein的計(jì)算公式為：

電路折合到輸出端的總輸出噪聲電壓Ein的計(jì)算公式為：

查看OPA1612放大器的技術(shù)手冊(cè)，在頻率為20 Hz時(shí)，IB=60 nA，EN=1.5nV/，IN=2.2pA/。根據(jù)式（2）以及放大器的參數(shù)，計(jì)算得到前置級(jí)放大電路折合到輸入端的總輸入噪聲電壓為 Ein=1.51 nV/。根據(jù)式（3），計(jì)算折合到輸出端的總輸出噪聲電壓Eo=35.74 nV/。

由結(jié)果可見，本設(shè)計(jì)的放大電路的噪聲已經(jīng)十分接近噪聲的理想值，達(dá)到了低噪聲放大器設(shè)計(jì)的要求，完成了對(duì)心音、呼吸音的低噪聲的放大，最大限度上減少了噪聲的引入，降低了噪聲對(duì)聽診結(jié)果的影響。

3 濾波電路的設(shè)計(jì)

心音信號(hào)的頻率分布范圍為20～600 Hz，呼吸音信號(hào)的頻率分布范圍為100～1 500 Hz，將前置放大電路得到的信號(hào)分別經(jīng)過心音濾波電路與呼吸音濾波電路，可以濾除頻率分布范圍外的噪聲，得到對(duì)應(yīng)的心音信號(hào)輸出與呼吸音信號(hào)輸出，同時(shí)可以減弱兩者在聽診時(shí)相互之間的影響。

圖5所示為心音濾波電路，心音的頻率范圍是20～600 Hz，為了將心音提取出來，將初級(jí)放大信號(hào)先通過一個(gè)截止頻率為600 Hz的二階有源低通濾波器，再通過一個(gè)截止頻率為20 Hz的二階有源高通濾波器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)心音信號(hào)的提取。

二階濾波器的截止頻率為：

電路參數(shù)設(shè)置：

根據(jù)式（4），取 C1=C2=0.22 μF，可得 R1=R2=1.2 kΩ，設(shè)計(jì)出 fp=600 Hz的低通濾波器；取 C3=C4=2.2 μF，可得 R3=R4=3.6 kΩ，設(shè)計(jì)出fp=20 Hz的高通濾波器。

根據(jù)呼吸音信號(hào)的頻率范圍100～1 500 Hz，改變?yōu)V波電路中R、C的參數(shù)，可以得到呼吸音濾波電路。

通過對(duì)濾波電路中二階有源低通濾波器和二階有源高通濾波器的設(shè)計(jì)，完成了對(duì)心音、呼吸音的提取，實(shí)現(xiàn)了心音、呼吸音的聽診分離，使聽診時(shí)二者的干擾降低，提高聽診的準(zhǔn)確性。

4 功率放大電路的設(shè)計(jì)

心音、呼吸音信號(hào)在經(jīng)過濾波電路之后，信號(hào)幅值總體有所下降，功率也不足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器（或耳機(jī)）。因此，需將經(jīng)過濾波電路提取到的心音信號(hào)、呼吸音信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足聽診的需要。

圖5 心音濾波電路Fig.5 Heart sounds filter circuit

功率放大電路如圖6所示。放大器芯片選擇的是TI公司生產(chǎn)的低電壓音頻功率放大器LM386，它所需的供電電壓較低，可以使用電池作為供電電源，放大增益從20～200連續(xù)可取，滿足聽診器電路功率放大電路的設(shè)計(jì)需求。

圖6 功率放大電路Fig.6 The power amplifier circuit

電路參數(shù)設(shè)置：

選取R3=11 kΩ，C1=10 μF，將功率放大電路的放大增益設(shè)置為G=30。R2=10 kΩ為可調(diào)電阻，用以調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器或耳機(jī)的音量。RL=8 Ω為負(fù)載電阻，即揚(yáng)聲器或耳機(jī)的電阻。

心音信號(hào)、呼吸音信號(hào)通過功率放大電路進(jìn)行功率放大，再經(jīng)由揚(yáng)聲器或耳機(jī)放出，供醫(yī)生進(jìn)行聽診判斷，完成聽診的目的。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了低噪聲的聽診器前置級(jí)放大電路，最大限度的降低了電路噪聲對(duì)聽診的影響，設(shè)計(jì)心音、呼吸音濾波電路將心音與呼吸音分離，減弱了兩者之間的相互影響，提高了聽診的準(zhǔn)確度和抗干擾能力，最后通過功率放大電路可以將心音與呼吸音通過揚(yáng)聲器播放出來，使醫(yī)生進(jìn)行聽診判斷。

本設(shè)計(jì)完成了一種使用方便的電子聽診器，它與傳統(tǒng)聽診器使用方法基本相同，與一般電子聽診器相比噪聲更低，聽診效果更好，是一種更容易被廣大醫(yī)生接受并推廣的低噪聲電子聽診器的設(shè)計(jì)。另外，將其整體電路應(yīng)用至各種嵌入式系統(tǒng)的電子聽診器中，作為低噪聲的心音、呼吸音采集電路，也會(huì)得到更好的結(jié)果。

[1]武麗，李翔.新型多功能電子聽診器的結(jié)構(gòu)及工作原理[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：35-38.WU Li,LI Xiang.The structure and operational principle of a new type of multifunctional electronic stethoscope[J].Journal of Southwest University of Science and Technology,2003(1)：35-38.

[2]單正婭，趙德安，秦云，等.新型可視電子聽診器的研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2005(12):22-24.SHAN Zheng-ya,ZHAO De-an,QIN Yun,et al.Development of a new visual electronic stethoscope[J].Microcomputer and Its Application,2005(12):22-24.

[3]Art Kay，運(yùn)算放大器噪聲優(yōu)化手冊(cè)[M].楊立敬,譯.人民郵電出版社，2013.

[4]劉勇，安志鴻.低頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)[C]//2007'儀表，自動(dòng)化及先進(jìn)集成技術(shù)大會(huì)論文集（二）,2007:322-325.

[5]董俊宏,王瑛劍,李小珉.集成運(yùn)放放大電路的噪聲分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006(2)：41-43.DONG Jun-hong,WANG Ying-jian,LI Xiao-min.Noise analysis of operational amplifer circuits[J].Electrical&Electronic Engineering Education.2006(2)：41-43.

[6]張達(dá).運(yùn)放的噪聲特性和放大電路的噪聲分析[J].實(shí)用影音技術(shù)，2010(11)：61-65.ZHANG Da.Noise characteristics analysis of operational amplifier and amplifier noise[J].Practical Audio-Visual Technology,2010(11)：61-65.