Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HOÀNG TÙNG THIẾT KẾ MẠCH TIỀN XỬ LÝ CHO ỐNG NGHE ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HOÀNG TÙNG THIẾT KẾ MẠCH TIỀN XỬ LÝ CHO ỐNG NGHE ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TRỊNH QUANG ĐỨC Hà Nội – 2019 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Hoàng Tùng Đề tài luận văn : Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CB160173 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/04/2019 với nội dung sau : +) Việt h h nh v +) Ch nh sử thông số kỹ thuật cảm biến CM-01B +) Sử l i ch nh tả Ngày 17 tháng năm2019 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn TS Trịnh Quang Đ c Lê Ho ng T ng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS.Phạm Th nh C ng Page |i Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật P a g e | ii Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin c m đo n luận văn nghiên cứu củ ch nh thân Các nghiên cứu luận văn dự tổng hợp lý thuyết hiểu biết thực tế củ m nh, không s o chép từ luận văn khác Mọi thông tin tr ch dẫn tuân theo luật sở hữu tr tuệ, liệt kê rõ ràng tài liệu th m khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Học viên Lê Hoàng Tùng P a g e | iii Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật MỤC LỤC BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NGHE Y TẾ 1.1 Vai trò âm thể chuẩn đoán y học .3 1.1.1 Âm th nh thể người phương pháp chẩn đoán nghe 1.1.2 Giới thiệu ống nghe truyền thống y tế .4 1.1.3 Giới thiệu ống nghe điện tử y tế 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Mục tiêu luận văn 10 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 11 2.1 Tổng quan hệ thống .11 2.1.1 Các thông số kỹ thuật .11 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 11 2.2 Tiếp cận lý thuyết .13 2.2.1 Các lọc liên tục tuyến t nh 13 2.2.2 Mạch lọc tần số 14 2.2.3 Bộ lọc thông thấp t ch cực 16 2.2.4 Bộ lọc thông c o .18 2.2.5 Bộ lọc thông t ch cực bậc c o 21 2.2.6 Bộ khuếch đại thuật toán 22 2.3 Các khối mạch tƣơng tự 24 2.3.1 Khối cảm biến 25 2.3.2 Khối lọc thông c o 27 2.3.3 Khối tiền khuếch đại 31 2.3.4 Khối lọc thông thấp 32 2.3.5 Khối khuếch đại 35 2.3.6 Khối điều ch nh offset 37 2.3.7 Nguồn đối xứng 39 P a g e | iv Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật 2.4 Chƣơng trình Labview .40 Chƣơng 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .41 KẾT LUẬN CHUNG 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Page |v Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC HÌNH ẢNH H nh 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .12 Hình 2.2 Hàm truyền đạt số lọc 14 Hình 2.3 Mạch lọc thơng cao thụ động RC .15 Hình 2.4 Mạch lọc thơng thấp tích cực .15 Hình 2.5 Bộ lọc thơng thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát 17 Hình 2.6 Bộ lọc thơng thấp cấu trúc đ hồi tiếp MFB 17 Hình 2.7 Sự tương ứng mạch lọc thơng thấp mạch lọc thông cao 18 H nh 2.8 Đường đáp ứng tần số mạch lọc thơng cao 19 Hình 2.9 Bộ lọc thơng cao bậc cấu hình Sallen-Key dạng tổng qt 19 Hình 2.10 Mạch lọc thơng cao bậc cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn 20 Hình 2.11 Xây dựng lọc bậc cao phương pháp ghép tầng 21 H nh 2.12 Đáp ứng tần số lọc Butterworth thơng thấp bậc cao 22 Hình 2.13 Ký hiệu mạch khuếch đại thuật toán 22 Hình 2.14 Mạch khuếch đại khơng đảo 24 Hình 2.15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế 25 H nh 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên cảm biến CM-01B 26 H nh 2.17 Đáp ứng tần số đặc trưng cảm biến 27 Hình 2.18 IC khuếch đại âm Opam 2134 28 Hình 2.19 Tổng quan lọc thơng cao tích cực bậc 28 Hình 2.20 Thiết kế lọc thơng cao tích cực bậc 30 H nh 2.21 Đáp ứng tần số lọc thông cao .31 Hình 2.22 Mạch tiền khuếch đại với G = .32 Hình 2.23 Tổng quan lọc thơng thấp tích cực bậc 32 Hình 2.24 Bảng giá trị hệ số lọc Butterworth [5] 33 Hình 2.25 Thiết kế lọc thơng thấp tích cực bậc 34 H nh 2.26 Đáp ứng tần số lọc thông thấp 35 Hình 2.27 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) 35 Hình 2.28 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại với G khác 37 Hình 2.29 Mạch cộng điện áp 38 Hình 2.30 Kết thí nghiệm mạch DC offset .39 P a g e | vi Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 2.31 Nguồn đối xứng +-9V 40 Hình 3.2 Mạch tương tự hệ thống 42 Hình 3.3 Tín hiệu sau mạch lọc thông cao 43 Hình 3.4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông cao 43 Hình 3.5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .44 Hình 3.6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .44 Hình 3.7 Tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 45 Hình 3.8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thơng thấp 45 Hình 3.9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 46 Hình 3.10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 46 Hình 3.11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 47 Hình 3.12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 47 Hình 3.13 Tín hiệu đầu mạch tương tự 48 Hình 3.14 Phổ tín hiệu đầu mạch tương tự 48 Hình 3.15 Giao diện phần mềm 49 P a g e | vii Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo t i người Bảng 1.2 Mối liên hệ tần số tỷ lệ lượng âm phát từ tim bình thường Hình 1.1 Ống nghe y tế hệ đầu Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật hệ thống 11 Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật cảm biến CM-01B 26 Bảng 2.3 Hệ số Butterworth 29 Bảng 2.4 Giá trị thành phần mạch sau tính tốn .33 Bảng 2.5 Hệ số khuếch đại mạch tính theo lý thuyết 36 P a g e | viii Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật 35 30 Gain (dB) 25 20 15 10 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Tần Sớ(Hz) Hình 2.28 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại với G khác 2.3.6 Khối điều chỉnh offset Các tín hiệu thu bao gồm thành phần c biên độ nhỏ 0V, vi điều khiển thường yêu cầu ngõ vào c điện áp phổ biến dải 03.3V hay 0-5V để chuyển đối tín hiệu tương tự sang dạng số Trong trường hợp điện áp ngõ vào ADC nhỏ 0V c thể gây r hư hỏng chân đầu vào vi điều khiển Nhưng qu n trọng hơn, t n hiệu s bị hết thành phần đường 0V, từ đ dẫn đến việc thiếu thông tin thu nhận Do đ , việc thiết kế mạch nâng điện áp cần thiết để đẩy thành phần tín hiệu lên mức 0V Mạch điện có chức cịn gọi mạch offset, giá trị điện áp cộng vào th y đổi thông qua điện áp DC cấp vào P a g e | 37 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 2.29 Mạch cộng điện áp Điện áp đầu mạch thể [8]: V_out = (V_in + V_offset ) (1+ ) (2.16) Nhân vào, ta có: V_out = V_in (1+ ) + V_offset (1+ ) (2.17) Như vậy, để điện áp đầu xác giá trị điện áp đầu vào cộng với điện áp offset, giá trị điện trở phải thỏa mãn [8]: (1+ (1+ )=1 )=1 (2.18) (2.19) Dễ dàng nhận rằng, phương tr nh đạt R1 = R2 = R3 = R4 Lựa chọn điện trở có giá trị 10KΩ, ta biểu diễn lại điện áp đầu theo: V_out = V_in + V_offset (2.20) Kết thí nghiệm với mạch offset thực tế thể Một sóng sin c biên độ 2V tần số 40Hz tạo P a g e | 38 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 2.30 Kết thí nghiệm mạch DC offset Với điện áp offset đư vào c giá trị 1V, tín hiệu đầu vào h nh sin nâng lên trục 0V h nh đảm bảo tần số tín hiệu khơng th y đổi Giá trị V_offset điều ch nh thơng qua biến trở nối từ +Vcc đến GND, nghĩ từ 5V Tuy nhiên, tín hiệu c biên độ thành phần tín hiệu dương lớn thành phần tín hiệu âm, s nâng điện áp đầu vào với điện áp offset 2.5V để đảm bảo tín hiệu đầu dải 0-5V 2.3.7 Nguồn đối x ng Để cung cấp nguồn cho cảm biến CM-01B linh kiện mạch, nguồn Pin sử dụng gồm Pin 9V ghép nối tiếp với Để mạch lọc mạch khuếch đại hoạt động được, chúng cần cung cấp nguồn điện đối xứng Nguồn pin sử dụng lý hạn chế tối thiểu nhiễu 50Hz vào mạch điện làm ảnh hưởng tới tín hiệu Hơn nữa, sử dụng pin tạo động, gọn nhẹ cho hệ thống thu nhận âm th nh Sơ đồ kết nối thể s u: P a g e | 39 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 2.31 Nguồn đối xứng +-9V 2.4 Chƣơng trình Labview Để xử lý hiển thị tín hiệu số, phần mềm L bview lựa chọn có nhiều lợi LabVIEW môi trường lập tr nh đồ họa mà sử dụng để tạo ứng dụng với giao diện người dùng cách nhanh chóng hiệu Ngồi ra, LabVIEW mở rộng cho nhiều tảng phẩn cứng khác Trong thực tế, tảng LabVIEW có khả t ch hợp với nhiều thiết bị phần cứng cung cấp hàng trăm thư viện xây dựng sẵn P a g e | 40 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Chƣơng 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Hệ thống thu thập âm th nh từ thể hoàn ch nh sử dụng cảm biến CM-01B, lọc khuếch đại tương tự, hiển thị t n hiệu lên máy tính Hệ thống thu thập âm th nh từ thể b o gồm: cảm biến CM-01B, mạch tương tự, bo rd Arduino Uno R3, nguồn đối xứng +-9V máy tính pin c dung lượng lớn ghép nối tiếp với nh u để tạo thành nguồn đối xứng 9V cung cấp cho mạch điện tương tự H nh 3.1 mô tả hệ thống cách chi tiết Các kết tr nh bày chương đo thiết bị máy s ng (Oscilloscope) NI ELVIS Hình 3.1 Hệ thống hồn chỉnh Chương s tr nh bày t n hiệu thu tầng: tầng tiền khuếch đại, tầng lọc thông c o, tầng khuếch đại, tầng lọc thông thấp, tầng DC offset, thành phần củ hệ thống hoàn thành gi o diện phần mềm P a g e | 41 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.2 Mạch tương tự hệ thống Tín hiệu đo thiết bị NI ELVIS v lại phần mềm Excel khoảng thời gian giây áp sát cảm biến vào tim Tín hiệu qua tầng phổ củ chúng ký hiệu mạch thực tế H nh 3.2 Trong đ : - S1: tín hiệu qua mạch lọc thơng cao với fc = 5Hz - S2: tín hiệu qua mạch tiền khuếch đại với G = - S3: tín hiệu qua mạch lọc thơng thấp với fc = 40KHz - S4: tín hiệu qua mạch khuếch đại lần với G = 5-40 - S5: tín hiệu qua mạch khuếch đại lần với G = 5-40 - S6: tín hiệu đầu mạch analog Mạch lọc thơng cao (S1): Tín hiệu lọc tần số cắt 5Hz với mạch lọc thông cao Quan sát thấy tín hiệu thu nhận c biên độ nhỏ, khoảng 30mV Các đ nh c biên độ lớn (+-15mV) tương ứng với khoảng thời gi n tim đập P a g e | 42 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.3 Tín hiệu sau mạch lọc thơng cao Quan sát phổ tín hiệu ELVIS, nhận thấy tần số tín hiệu chủ yếu dải tần nhỏ 5KHz Hình 3.4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thơng cao Mạch tiền khuếch đại (S2): Tín hiệu s u đ khuếch đại lần sau qua mạch tiền khuếch đại Biên độ tín hiệu đạt khoảng 0.15V P a g e | 43 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại Độ lợi theo dB (G in) tăng lên khoảng 10dB nhờ mạch khuếch đại (20*Log5) Thành phần DC đạt khoảng -30dB Hình 3.6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại Mạch lọc thơng thấp (S3): Tín hiệu lọc thơng thấp với fc = 40 KHz Tín hiệu không th y đổi mức biên độ P a g e | 44 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.7 Tín hiệu sau mạch lọc thơng thấp Hình 3.8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thơng thấp Mạch khuếch đại lần (S4): Tín hiệu khuếch đại khoảng lần để thu biên độ 0.8V Thành phần DC tăng từ -30dB lên -15dB Gain tín hiệu dải tần 20 KHz- 40 KHz tăng từ -75dB lên -60dB P a g e | 45 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần Hình 3.10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần Mạch khuếch đại lần (S5): Để thu tín hiệu c biên độ cỡ vài V, mạch khuếch đại lần điều ch nh hệ số khuếch đại khoảng lần Tín hiệu s u khuếch đại c biên độ khoảng 4V Phổ tín hiệu cho biết G in tăng lên khoảng 10dB P a g e | 46 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần Hình 3.12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần Đầu mạch analog (S6): Sau thu tín hiệu c biên độ phù hợp, mạch cộng điện áp sử dụng để nâng thành phần c biên độ âm lên mức 0V Ở đây, điện áp DC 2,5V cộng vào tín hiệu sau tầng khuếch đại lần Như vậy, biên độ tín hiệu hồn tồn nằm dải 0-5V, phù hợp với dải ADC P a g e | 47 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.13 Tín hiệu đầu mạch tương tự Quan sát phổ cho thấy thành phần DC đạt tới khoảng 4dB mạch cộng điện áp Tín hiệu tập trung lớn dải tần đến KHz, giảm dần tần số tăng Hình 3.14 Phổ tín hiệu đầu mạch tương tự P a g e | 48 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật Giao diện phần mềm thể hình: Hình 3.15 Giao diện phần mềm Giao diện phần mềm máy tính phải trực qu n, giúp người sử dụng thao tác xử lý thuận tiện Như qu n sát Hình 3.15, đồ thị dùng để hiển thị tín hiệu củ âm th nh đo thể Các tần số cắt cắt lọc thơng dải số lựa chọn Âm lượng tín hiệu điều ch nh tự động lưu vào đường link định sẵn P a g e | 49 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật KẾT LUẬN CHUNG Sau trình nghiên cứu, luận văn củ em hồn thành hướng dẫn tận tình TS Trịnh Qu ng Đức Luận văn trình bày việc thiết kế việc thiết kế mạch tiền xử lý cho hệ thống thu thập âm từ thể sử dụng cảm biến CM-01B Các mạch lọc mạch khuếch đại tương tự thiết kế để loại bỏ nhiễu đạt tín hiệu có biên độ phù hợp Kit Arduino Uno dùng để thực chuyển đổi tín hiệu tương tự - số S u đ t n hiệu lọc lọc thông dải chương tr nh Labview, hiển thị dạng s ng đồ thị, nghe trực thời gian lưu trữ dạng file âm thông dụng Kết đạt sử dụng lọc thông cao thơng thấp để thu tín hiệu dải tần từ 5Hz – 40kH, tầng khuếch thu tín hiệu đầu r c biên độ nằm khoảng 0-5V, phù hợp với khoảng điện áp ADC Sử dụng mạch offset để điều ch nh mức điện áp âm phù hợp Tuy nhiên, âm th nh nghe bao gồm thành phần tạp âm Khi giảm tần số cắt mạch lọc thông dải phần mềm, tạp âm loại bỏ nhiều Thiết bị cần cải tiến tương l i việc thiết kế mạch lọc tương tự c độ suy hao lớn hơn, c thể thay điện trở cắm mạch thành điện trở dán để mạch gọn, đẹp cần khảo sát dải tần tín hiệu để lựa chọn tần số cắt phù hợp Vỏ thiết bị cần thiết kế để đạt hiệu tốt Lớp cao su silicon dùng môi trường truyền dẫn âm cần thí nghiệm với nhiều loại khác nh u, để lựa chọn loại có trở kháng âm tốt Từ đ , thu tín hiệu từ thể với lượng nhiễu t P a g e | 50 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Thiện, Nguyễn Qu ng Đơng, “Giáo trình vật lý – lý sinh y học”, Nhà xuất Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên 2011 [2] Damian Sofsian, "An Introduction to Stethoscopes", Ezine Articles, August 2005 [3] http://www.electronics-tutorials.ws/category/filter/, truy nhập cuối ngày 2/10/2018 [4] J mes K rki, “An lysis of the S llen-Key Architecture”, Texas Instruments, September 2002 [5] Jim K rki, “Active Low-P ss Filter Design”, Texas Instruments, October 2000 [6] Thom s Kugelst dt, “Active Filter Design Techniques”, Op Amp for Everyone (Ron Mancini.) Texas Instruments Incorporated, 2002, pp 285-348 [7] Robert Boylest d, Louis N shelsky, “Oper tion l Amplifiers”, Electronic Devices And Circuit Theory Seventh Edition, Prentice Hall, 1972, pp 609-647 [8]http://masteringelectronicsdesign.com/measure-a-bipolar-signal-with-an-arduinoboard/, truy nhập cuối ngày 5/12/2018 P a g e | 51 ... HỘI ĐỒNG TS.Phạm Th nh C ng Page |i Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật P a g e | ii Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ án thạc sỹ kỹ thuật LỜI CAM... TÙNG THIẾT KẾ MẠCH TIỀN XỬ LÝ CHO ỐNG NGHE ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TRỊNH QUANG ĐỨC Hà Nội – 2019 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe. .. hệ thống mạch ống nghe điện tử Mục đ ch mạch khuếch đại mạch lọc khuếch đại tín hiệu đầu vào c biên độ nhỏ lên điện áp đủ lớn để P a g e | 24 Thiết kế mạch tiền xử lý cho ống nghe điện tử Đồ