信号处理课程设计设计(论文)用纸摘 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，也不能调整频率响应。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，电压比较器电路等。经实验证明，此电子听诊器具有良好的波形分析能力，能够将设置好的频率段以外的声音频率滤掉，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。关键词：电子听诊器 音频放大器 滤波电路 听诊器AbstractPeople 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. 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 that the interference form 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 Rejecter II目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 本文的研究目的和意义11.2 心音的产生机制11.3 电子听诊器的发展趋势2第2章 电子听诊器的工作原理22.1 电子听诊器的基本原理22.2 信号采集32.3 电压放大器32.4 低通滤波器42.5 信号输出级5第3章 电子听诊器的具体设计电路63.1 心音传感器及其放大电路63.2 心音滤波器73.3 比较器83.4 计数、译码、显示电路83.5 其他附加电路9第4章 电路仿真分析104.1 总体电路图104.1.1 各部分组成104.1.2 元器件选择104.2 仿真114.2.1 放大电路IC1输出电压波形114.2.2 滤波电路IC2124.2.3 IC3电压跟随器134.2.4 IC5运放后电压波形14总结15参考文献16信号处理课程设计设计(论文)用纸第1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，因此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。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声源等问题，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本文提出的电子听诊器由于接有放大器，因此可将微弱的心跳声放大到清晰可闻；而老式的听诊器没有放大作用，声音微弱，塞在耳朵里很不舒服，不能隔离环境噪声。电子听诊器除了能清晰监听病人的胸/腹声音外，还能用在搜索机械噪声源的定位等方面。在实验过程中，发现拾音头MIC用普通振膜拾音头的中频响应好，背景噪声也小。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。另一个角度讲，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。1.2 心音的产生机制研究心音信号的产生与传导机制，对于认识体表心音与心音源之间的关系，了解心音与心脏的生理、病理状况之间的相关性方面有着重要的意义。多年来，许多研究人员对心音的发生机理和传导机制从不同的方面进行了研究和探索，得到了许多有价值的研究结果。下面简述了心音的产生机制。早年，人们曾认为心音是由瓣膜的关闭所产生的，以后发现这种认识是片面的。对于心音的发生机理的研究不仅需要考虑心脏的血流动力学方面的特性，而且要研究心脏的振动力学问题。正常人的心音由第一心音、第二心音、第三心音和第四心音组成，一般成年人因为第三、第四心音很弱，只能听到第一、第二心音。通常，心动周期是指心室的活动周期，心动周期是从心房收缩开始的，紧接着是心室的收缩。心动周期中，心肌收缩、瓣膜开闭、血流加速度和减速度对心血管壁的加压和减压作用以及形成的涡流等因素引起的机械振动，通过周围组织传递到胸壁，产生的声音叫做心音。心室收缩早期，心室内压力迅速上升，房室瓣(包括二尖瓣、三尖瓣)关闭，当心室内压力升高并超过相应大血管内压力时，半月瓣(包括主动脉瓣和肺动脉瓣)开放，开始了心血逼出期。从房室瓣关闭到半月瓣开放期间，瓣膜、心肌的振动以及血流的加速形成了第一心音。心室收缩终了，心室内压力下降，进入舒张期，半月瓣关闭，当心房压力超过心室的时候，房室瓣开放，并使心室充盈。从半月瓣关闭到房室瓣开放期间，形成第二心音。第三心音发生在舒张早期的心室被动充盈时，心房血流急速进入心室，引起心室壁振动。第四心音发生在收缩期前，是由心房收缩和心室壁振动产生的。综上所述，可以将心音的发生机理归纳如下：心脏的瓣膜和大血管在血流冲击下形成的振动，以及心脏内血流的加速与减速形成的湍流与涡流及其对心脏瓣膜、心房、室壁的作用所产生的振动，再加上心肌在周期性的心血活动作用下其刚性的迅速增加和减少形成的振动，经过心胸传导系统到达体表形成了体表心音。心音中常包含心内噪音、呼吸噪音、体表噪音和心胸系统传播过程中产生的噪音。1.3 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点：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2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。由于其中传声器所接受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器无用的杂波。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部分。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器后供多人监听。信号输出低通滤波器电压放大器信号采集 图2.1 电子听诊器原理示意图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，这些声音信号的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。电子听诊器的结构见图2.2：功率放大器放大电路滤波器拾音头MIC显示器译码器比较器计数器扬声器图2.2 电子听诊器的结构框图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。电压同向放大电路示意图见图2.3：图2.3 电压同相放大器电路示意图在图2.3电路中，输入电压和输出电压的关系为： （2.1）通过调节分压器R4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：图2.4 二阶低通滤波器电路示意图该电路的转折频率为： （2.2）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加准确。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3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20600Hz，肺音频率为1001500Hz，肠鸣音频率为201500Hz，均在人