低噪声电子听诊器的设计

樊容

（天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

心音、呼吸音信号是重要的临床医学信号，是进行心脏疾病、呼吸系统疾病判别的重要依据，是医生进行病因、病灶分析的重要信息。现如今，在心脏疾病和呼吸系统疾病诊断中，听诊仍旧是医生进行检查的主要手段，并且，听诊具有体外检查无创伤、便捷、经济等优点，是广为应用且不可替代的诊断方式。随着科学技术的发展，在现代医学诊断中，应用电子听诊器听诊成为医学发展的一种趋势，各种电子听诊器也相继出现[1-2]。而一般电子听诊器在使用时，引入的噪声较大，容易对所需要的心音、呼吸音信号产生强烈干扰，不利于医生做出正确的诊断结果，影响听诊结果的可靠性和准确性。基于此背景，本文旨在设计一种低噪声的电子听诊器电路，本设计引入噪声小，实现了对心音、呼吸音低噪声的放大，完成了心音、呼吸音的分离，减弱了两者听诊时的相互影响，提高了听诊时的抗干扰能力，保证了听诊结果的准确性和可靠性。

1 整体设计思路

由于由听诊器探头收集到的心音、呼吸音信号十分微弱，一般大小只有几个毫伏到十几个毫伏，需要将它进行精密放大以达到听诊的目的。本文设计出一种低噪声电子听诊器电路，把探头收集到的心音、呼吸音信号进行低噪声的放大，并将心、呼吸音信号进行分离，最后经扬声器（或耳机）听取心音、呼吸音信号。电路主要包括低噪声的前置放大电路，心音、呼吸音滤波电路以及功率放大电路。总体设计结构图如图1所示。

图1 电子听诊器结构图Fig.1 Structure diagram of the electronic stethoscope

将听诊器探头收集的心音、呼吸音信号，首先经由前置放大电路进行初步放大，再分别经过心、呼吸音滤波电路将心音、呼吸音分离，最后根据听诊需要选择分离的心音、呼吸音，通过功率放大电路进行功率放大，经由扬声器（或耳机）进行听诊。下面介绍各部分电路的具体设计。

2 前置级放大电路的设计

由听诊探头收集的心音、呼吸音信号，首先要经由前置放大电路进行初级放大。由于噪声也会随放大电路的逐级放大而增大，所以，作为第一级放大电路，在设计前置级放大电路时，应使其电路本身产生的噪声足够小。并且，在级联电路中，如果第一级电路增益足够大时，后级电路噪声的影响可以忽略，级联电路的噪声性能主要由第一级决定，因此，本文的核心在于设计低噪声的前置级放大电路。

2.1 噪声来源分析

前置级放大电路噪声来源包括两大部分：电路外部噪声和电路内部噪声。电路外部噪声主要包括外部环境噪声、探头与皮肤摩擦产生的噪声以及所要监听的脏器之外其他脏器产生的干扰噪声等等。这些电路外部噪声可以通过人工干预外部环境噪声、改良探头、使用非接触式传感器以及滤波等手段来降低或者消除。

放大电路内部噪声主要分为3类[3-4]：热噪声、低频噪声（又称1/f噪声）和散粒噪声。热噪声是一种白噪声，是由导体中电荷载流子的自由运动引起的，其谱密度与频率无关，在整个频带内是平均的。低频噪声（又称1/f噪声）随频率减小而增加，是由直流电流流过不连续介质而导致的，其功率大小遵从

，其中α是常数,通常取1。散粒噪声也是一种白噪声，与电流流过器件的PN节有关，当电荷载流子扩散通过PN结时，由于载流子速度的不一致使得电流发生波动，从而产生散粒噪声。这3种噪声综合作用在放大器电路中，对电路产生影响。减弱这3种噪声的手段是从电路设计的角度出发，采用噪声较低的电路元器件、设计噪声较低的电路连接方式。

2.2 电路元器件选择

合理选择和正确使用元器件是降低放大器噪声的至关重要的一部分[5-6]。对要求低噪声的电路，必须要注重无源器件的选择，主要是对电阻和电容器的选择，以减小由无源器件产生的噪声对电路的影响。电阻应选用温度特性和频率特性都优良的金属膜电阻，同时选用额定功率具有足够富裕的电阻来降低噪声。而电容器采用云母电容或瓷片电容可以降低噪声的影响。

而对于放大电路的核心，电路的有源器件，放大元器件的选择，首先要考虑其噪声系数，选择噪声系数小的放大器件；其次对于集成放大器件，不应一味追求高速的转换效率，选用较低的转换效率有利于高频噪声的抑制；另外，还要考虑放大器件的源内阻的大小，以实现源内阻的匹配，降低电路噪声。

2.3 低噪声前置级电路的设计

要满足低噪声前置级放大器的噪声指标，考虑从以下几个电路设计方面出发，得到最佳噪声性能。

2.3.1 同相放大电路

如图2所示同相放大电路的输入噪声Ein为:

图2 同相放大电路Fig.2 Non-inverting amplifier circuit

式中第一项EN表示运放的总电压噪声，包括宽带电压噪声和电压噪声；第二项ER表示电阻噪声即热噪声；第三项表示运放的电流噪声。式中 Req=R1∥R2，ER=为噪声带宽。

同相放大电路可以满足对第一级放大电路的高输入阻抗的要求，同相放大电路的输入阻抗基本由同相端并联的偏置电阻确定。而从式(1)中可以看出，同相放大电路的主要噪声是前两项，电压噪声和电阻的热噪声，提高电路的输入阻抗对电路的总噪声影响不大。所以，同相放大电路是适合设计成为低噪声放大器的基础电路。

2.3.2 并联放大器电路

噪声电压除以噪声电流称为放大器的噪声源内阻，当噪声源内阻等于前级源内阻时，可以获得最小的噪声系数，这种情况称为噪声匹配。

将数个放大器并联可以降低放大器源内阻，实现与信号源内阻的噪声匹配，减小放大器的噪声系数，达到最佳噪声系数。但是受到器件数量和体积的限制，并联的放大器个数不宜过多，一般不能达到最佳噪声匹配时的数量，实际的噪声匹配效果与理想匹配相比略差。但在放大器源内阻与前级源内阻相差不大，且放大器的输入阻抗远大于前级源内阻时，依旧可以使用此方法达到降低放大器噪声系数的目的。

2.3.3 平均值电路

如图3所示是放大器平均值电路，这种方法是将若干放大器的输出端连接在一起，作为平均值电路的输入端，利用运放平均值电路对所有输出信号做平均，以达到降低噪声的目的。为了达到平均值电路的目的，所有的输入电阻(R1、R2…RN)必须相等，而反馈电阻(Rf)等于单个输入电阻的阻值除以输入电阻的个数。在输入的噪声源相等的情况下，平均值电路可以达到减小倍噪声的效果。

图3 平均值电路Fig.3 The average circuit

2.3.4 反馈电容

在放大器的反馈电阻上并联一个电容Cf，称为反馈电容。反馈电容Cf能够减小放大器电路的有效带宽，从而起到降低放大器噪声的作用。

2.3.5 低噪声前置级放大电路

综合以上方法，设计出如图4所示电路图。电路设计中使用的放大器选用TI公司生产的1.1nV/噪声、低功耗精密运算放大器OPA1612。它具有超低的噪声系数，良好的音频运算放大功能，在精心设计外围电路的情况下，能够达到低噪声放大器的设计目的。

电路参数设置：

图4 前置级放大电路Fig.4 Pre-amplification circuit

放大器 U1、U2、U3与电阻 R1、R2、R4、R5、R6、R7构成并联同相放大电路，R1=R4=R7=50 Ω,R2=R5=R6=2 kΩ,放大器的增益为Gain=R2/R1=40倍，噪声增益Gainnoise=41倍。R3为偏置电阻，R3=2 kΩ。 放大器 U4和电阻 R8、R9、R10、R11共同组成平均值电路，R8=R9=R10=1 kΩ，R11=R8/3=332 Ω。电容 C1=1 μF，为隔值电容，起到隔离直流噪声的作用。电容C2、C3、C4为反馈电容，C2=C3=C4=100 pF。

根据电路设计和参数设置，可以计算前置级放大电路的输入、输出噪声，电路折合到输入端的总输入噪声电压Ein的计算公式为：

电路折合到输出端的总输出噪声电压Ein的计算公式为：

查看OPA1612放大器的技术手册，在频率为20 Hz时，IB=60 nA，EN=1.5nV/，IN=2.2pA/。根据式（2）以及放大器的参数，计算得到前置级放大电路折合到输入端的总输入噪声电压为 Ein=1.51 nV/。根据式（3），计算折合到输出端的总输出噪声电压Eo=35.74 nV/。

由结果可见，本设计的放大电路的噪声已经十分接近噪声的理想值，达到了低噪声放大器设计的要求，完成了对心音、呼吸音的低噪声的放大，最大限度上减少了噪声的引入，降低了噪声对听诊结果的影响。

3 滤波电路的设计

心音信号的频率分布范围为20～600 Hz，呼吸音信号的频率分布范围为100～1 500 Hz，将前置放大电路得到的信号分别经过心音滤波电路与呼吸音滤波电路，可以滤除频率分布范围外的噪声，得到对应的心音信号输出与呼吸音信号输出，同时可以减弱两者在听诊时相互之间的影响。

图5所示为心音滤波电路，心音的频率范围是20～600 Hz，为了将心音提取出来，将初级放大信号先通过一个截止频率为600 Hz的二阶有源低通滤波器，再通过一个截止频率为20 Hz的二阶有源高通滤波器，以实现对心音信号的提取。

二阶滤波器的截止频率为：

电路参数设置：

根据式（4），取 C1=C2=0.22 μF，可得 R1=R2=1.2 kΩ，设计出 fp=600 Hz的低通滤波器；取 C3=C4=2.2 μF，可得 R3=R4=3.6 kΩ，设计出fp=20 Hz的高通滤波器。

根据呼吸音信号的频率范围100～1 500 Hz，改变滤波电路中R、C的参数，可以得到呼吸音滤波电路。

通过对滤波电路中二阶有源低通滤波器和二阶有源高通滤波器的设计，完成了对心音、呼吸音的提取，实现了心音、呼吸音的听诊分离，使听诊时二者的干扰降低，提高听诊的准确性。

4 功率放大电路的设计

心音、呼吸音信号在经过滤波电路之后，信号幅值总体有所下降，功率也不足以驱动扬声器（或耳机）。因此，需将经过滤波电路提取到的心音信号、呼吸音信号进行功率放大，以满足听诊的需要。

图5 心音滤波电路Fig.5 Heart sounds filter circuit

功率放大电路如图6所示。放大器芯片选择的是TI公司生产的低电压音频功率放大器LM386，它所需的供电电压较低，可以使用电池作为供电电源，放大增益从20～200连续可取，满足听诊器电路功率放大电路的设计需求。

图6 功率放大电路Fig.6 The power amplifier circuit

电路参数设置：

选取R3=11 kΩ，C1=10 μF，将功率放大电路的放大增益设置为G=30。R2=10 kΩ为可调电阻，用以调节扬声器或耳机的音量。RL=8 Ω为负载电阻，即扬声器或耳机的电阻。

心音信号、呼吸音信号通过功率放大电路进行功率放大，再经由扬声器或耳机放出，供医生进行听诊判断，完成听诊的目的。

5 结论

文中设计了低噪声的听诊器前置级放大电路，最大限度的降低了电路噪声对听诊的影响，设计心音、呼吸音滤波电路将心音与呼吸音分离，减弱了两者之间的相互影响，提高了听诊的准确度和抗干扰能力，最后通过功率放大电路可以将心音与呼吸音通过扬声器播放出来，使医生进行听诊判断。

本设计完成了一种使用方便的电子听诊器，它与传统听诊器使用方法基本相同，与一般电子听诊器相比噪声更低，听诊效果更好，是一种更容易被广大医生接受并推广的低噪声电子听诊器的设计。另外，将其整体电路应用至各种嵌入式系统的电子听诊器中，作为低噪声的心音、呼吸音采集电路，也会得到更好的结果。

[1]武丽，李翔.新型多功能电子听诊器的结构及工作原理[J].西南科技大学学报，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]单正娅，赵德安，秦云，等.新型可视电子听诊器的研制[J].微型机与应用，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，运算放大器噪声优化手册[M].杨立敬,译.人民邮电出版社，2013.

[4]刘勇，安志鸿.低频低噪声放大器设计[C]//2007'仪表，自动化及先进集成技术大会论文集（二）,2007:322-325.

[5]董俊宏,王瑛剑,李小珉.集成运放放大电路的噪声分析[J].电气电子教学学报，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]张达.运放的噪声特性和放大电路的噪声分析[J].实用影音技术，2010(11)：61-65.ZHANG Da.Noise characteristics analysis of operational amplifier and amplifier noise[J].Practical Audio-Visual Technology,2010(11)：61-65.