DD150412C2 - Schaltungsanordnung zur frequenzanalyse von analogen signalen - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zur Frequenzanalyse von analogen Signalen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzanalyse für vorzugsweise numerische Datenregietrierung von analogen Signalen eines beliebig vorgegebenen Frequenzbereiches, u.a. zur automatischen EEG-Analyse, Schwingungsdiagnostik und Lautanalyse bei der Spracherkennung·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die in der Literatur angegebenen Lösungsprinzipien orientieren in den meisten Fällen, sofern der Weg der on-line-Filteranalyse beschritten wird, sich auf eine Ein-Weg-Signalverarbeitung, wobei der Selektierungeprozeß durchaus unterschiedlich realisiert werden kann· So werden in einer "Schaltungsanordnung zur Frequenzanalyse eines Signals" (DE-AS 2 512 939) eine Anordnung von 10 parallel angeordneten Bandfiltern mit anschließender Gleichrichtung und Integrationsstufe benutzt, wobei das Analyseergebnis lediglich mittels mechanischen Schreibsystems (Strichfolge) in nichtnumerischer Form ausgegeben wird. In der DE-AS 2 219 085 wird ein Frequenzanalysator vorgeschlagen, der mit einer Anzahl steuerbarer Synchronfilter ausgestattet ist, deren Mittenfrequenzen jeweils von der Frequenz eines Bezugssignals bestimmt wird· Das System ist speziell für die Analyse komplexer Signale entwickelt, wie sie bei der Vibrationsmessung an rotierenden Maschinen, bei der Untersuchung von Lärmpegeln in der Luft- und Schiffahrt ect. auftreten. Jedoch ist diese Lösung für die Frequenzauflösung innerhalb eines relativ begrenzten Bandes bei hoher Auflösegüte, wie sie bei der EEG-Analyse gefordert wird, aufgrund der speziellen Anordnung wenig geeignet. Bei diesen Meßanordnungen können u.U. benachbarte Frequenzen unterschiedlicher Amplitudengröße aufgrund der endlichen Genauigkeit der Selektivfilter systembedingte Meßfehler auslösen - ansprechen benachbarter Selektivfilter bei Auftreten einer bestimmten Frequenz mit großer Spannungsamplitude -· Eine Verbesserung der Selektivität war nach diesem Verfahren nur durch erhöhten materiellen Aufwand (Erhöhung der Anzahl

der Filterstufen) zu erzielen.

Eine Möglichkeit der Signal-Parallelverarbeitung, speziell entwickelt für die Erkennung von Lautzyklen bei der Spracherkennung, wird in der US-PS 3,573.612 wie folgt vorgeschlagen: Die für die Spracherkennung benötigten Signalperioden - im vorliegenden Fall treten zyklisch gedämpfte Schwingungen der Form & Dämpfungsglied

CO Kreisfrequenz

A = K^B~°* sin(U) t + f ) auf φ Phasenwinkel ° о Io

A Amplitude

werden mitteJs Nulldurchgangsdetektor und Peak-Amplitudendetektor (also erste und zweite Ableitung des Eingangssignals) simultan bearbeitet, wobei aufgrund der Signalperioden der Peak-Amplitudendetektor je Lautzyklus einen Impuls definierter Länge (2,5 тв) auslöst, der seinerseits mit Hilfe einer "Mittlungsschaltung" über diesen Bereich von 2,5 ms Zeitintervalle (Nulldurchgangsdetektor) des Eingangssignals definiert, m.a.W. je Lautzyklus wird über den Bereich von 2,5 ms eine mittlere Zeitdistanz erstellt·

Auch diese Anordnung, für die Sprachanalyse speziell entwickelt, ist in dieser Art der Zeitdistanzermittlung generell für eine Frequenzanalyse der vorgegebenen Genauigkeit nicht einsetzbar·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer universell nutzbaren Schaltungsanordnung zur Frequenzanalyse von analogen Signalen mit hoher Auflösung, wobei bei starken EingangsSchwankungen keine Störungen auftreten·

Darlegung dea Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mittels Filterung und simultaner Zeitanalyse eine zweidimensional Auswertung der Signale durchzuführen, wodurch das fehlerhafte simultane Ansprechen mehrerer Selektivfilter für benachbarte Frequenzen verhindert wird und wobei eine Vorfilterung in Frequenzbänder exfolgt, innerhalb derer keine superponierten Schwingungen

auftreten aus denen danach die einzelnen Frequenzanteile in Form von schmalen Frequenzbändern herausgefiltert werden sowie , mit anschließender Umwandlung der Halbwellen gleichen Vorzeichens jedes selektierten Frequenzanteils in digitale Signale· Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, wobei die auszuwertenden analogen Signale auf parallelgeschaltete Eingänge von aktiven Vorfiltern geführt sind, jedem Vorfilter ein einstellbarer Anpassungsverstärker nachgeschaltet ist, an jedem Anpassungsverstärker mehrere aktive Selektivfilter mit großer Flankensteilheit parallel angeschlossen sind, denen Schwellwertelemente und Impulsformer nachgeschaltet sind, dadurch ,gelöst, daß jeder den Selektivfiltern nachgeschaltete Impulsformer mit jeweils einem Eingang einer Koinzidenzstufe verbunden ist· Die Ausgänge der Koinzidenzstufen sind an eine Auswerteschaltung angeschlossen· Weiterhin ist erfindungsgemäß an jedem Vorfilter ein weiterer Anpassungsverstärker angeschlossen, dem nacheinander in Reihe ein Nulldurchgangsdetektor, ein Zeitverzögerungsglied und ein Impulsformer nachgeschaltet sind» Der Ausgang dieses Impulsformers ist mit dem zweiten Eingang aller dem entsprechenden Vorfilter nachgeschalteten Koinzidenzstufen verbunden·

Die digitalen Signale der selektierten Frequenzanteile werden in ihrer Breite und Lage so gewählt, daß die Signale der jeweils benachbarten selektierten Frequenzanteile zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgen. Bei Nulldurchgang in jeweils gleicher Richtung des in der Vorfilterung frequenzbegrenzten analogen Signalen wird ein Signal erzeugt, dessen Impulsbreite möglichst schmal sein muß, jedoch nicht breiter als die Impulsbreite der digitalen Signale der selektierten Frequenzanteile sein darf· Dieses Nulldurchgangssignal wird anschließend so verzögert, daß es mit dem digitalen Signal des entsprechenden dazugehörigen selektierten Frequenzanteile zeitlich übereinstimmt. Nur bei zeitlicher Übereinstimmung von digitalem Signal des selektiv herausgefilterten Frequenzanteils und dazugehörigem Nulldurchgangssignal wird das digitale Signal zur Auswertung weitergeleitet.

Die Schaltungsanordnung realisiert also eine kontinuierliche Frequenzanalyse eines analogen Signals mittels einer Anzahl von aktiven Bandpässen, die im Sinne einer Vorfilterung eine Anzahl von Frequenzbändern vorgeben, so daß simultan Grundschwingungen sowie die ihnen überlagerten Oberschwingungen erfaßt werden können, wobei jedes dieser vorgefilterten Frequenzbänder nach entsprechender Fegelanpassung über eine spezielle Anordnung von aktiven Selektivfiltern großer Flankensteilheit in schmalbandige Frequenzbereiche zerlegt wird, so daß der interessierende Frequenzbereich lückenlos überstrichen werden kann·

Schwellwertelemente und Impulformerstufen, den Selektivfiltern nachgeschaltet, bilden Rechteckimpulse für die Auswertung. Parallel dazu wird das durch Vorfilterung frequenzbegrenzte Analogsignal durch Zeitanalyse untersucht:

Nach Pegelanpassung wird mittels Nulldurchgangsdetektor, Zeitverzögerungsglied und Impulsformer Jedem Signaldurchgang in jeweils gleicher Richtung durch den Nullpegel ein Impuls zugeordnet«

Das Zeitverzögerungsglied gestattet den Nulldurchgangsimpuls derart zu verzögern (regelbar), daß Impulse des zuständigen Selektivfilters bzw, des nachfolgenden Impulsformers mit denen des Nulldurchgangsdetektors zur Koinzidenz gelangen: An der Koinzidenzstufe wird die Koinzidenz geprüft und das Signal der Auswerteschaltung zugeleitet·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden· Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig· 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer realisierten Schaltungsanordnung

Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale der den Selektivfiltern für H Hz, 15 Hz und 16 Hz nachgeschalteten Impulsformer im Vergleich zum Impulsformer des Nulldurchgangsdetektors bei Auftreten einer 15 Hz-Schwingung mit großer Amplitude

Als Ausführungsbeispiel wurde -die Frequenzanalyse eines als EEG gewonnenen Frequenzgemisches der Gehirnströme gewählt. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, werden die Gehirnstromsignale über einen Verstärker 1 auf mehrere, in diesem Falle 6 parallel verschaltete aktive Vorfilter 2γ bis 2yj zur Bildung mehrerer frequenzbegrenzter Analogsignale vorgegeben. Diese frequenzbegrenzten Analogsignale der Vorfilter 2 werden wiederum über Anpassungsverstärker 3j bis Зут mehreren, den Anpassungsverstärkern 3 parallel nachgeschalteten Selektivfiltern 4* в.. 4_д mit großer Flankensteilheit, in diesem Falle 2stufige Filter, zugeführt. Mittels nachgeschalteter Schwellwertelemente 5 und Impulsformer 6 werden Rechteokimpulse der positiven Halbwellen für bestimmte schmale Bandbreiten der Durchlaßfrequenzen erzeugt.

Jedem Vorfilter 2 ist außerdem ein weiterer Anpassungsverstärker 7 zur Pegelanpassung, an den ein Nulldurchgangsdetektor 8 angeschlossen ist, nachgeschaltet..

Der Nulldurchgangsdetektor 8, eine Schaltungsanordnung mit binärem Signalausgang, ändert seinen Ausgangspegel bei jedem, in diesem Falle, positiven Durchgang des analogen Eingangssignals durch den Nullpegel. Somit wird das Eingangssignal in eine Impulsfolge mit frequenzabhängiger Impulsbreite umgewandelt, wobei die gewonnenen Intervalle zwischen den Nulldurchgängen ein Maß für den Frequenzinhalt des Eingangssignals darstellen. Schaltungstechnisch wurde der Nulldurchgangsdetektor mit einem Operationsverstärker bestückt. Da der Operationsverstärker eine sehr hohe offene Verstärkung aufweist, wenn die Ausgangsspannung U. kleiner als die Diodendurchlaßspannung U_D des Diodennetzwerkes ist, dagegen eine sehr kleine Verstärkung aufweist bei U.> U₀, zeigt diese Schaltung eine nahezu ideale Übertragungscharakteristik für einen Nulldurchgangsdetektor. Das nachfolgende Zeitverzögerungsglied 9» realisiert durch einen Monoflop, erlaubt eine Einstellung des Verzögerungsimpulses mittels Einstellregler. Der Ausgang ist mit einem Impulsformer 10 verbunden, durch den die Impulsbreite vorgegeben werden kann. Jeder Impulsformer 6 des entsprechenden Selektivfilter 4 ist mit einem der zwei Eingänge einer Koinzidenzstufe 11, im Ausführungsbeispiel durch ein UND-Glied realisiert, verbunden.

Die· zweiten Eingänge der einem Vorfilter 2 zugeordneten Koinzidenzstufen 11 sind gemeinsam mit dem Impulsformer 10 des diesem Vorfilter 2 nachgeschalteten Nulldurchgangsdetektor 8 verbunden»

Das sukzessive Auftreten z.B. der Frequenzen 14 Hz und 15 Hz innerhalb des zu analysierenden Signalezuges bei starken Amplitudenunterschieden ζ·Β· 15 Hz^ 14 Hz bewirkt, daß bei geeigneter Pegeleinstellung zuerst nur der Selektiv-filter 4 für

14 Hz sowie der dazugehörende Impulsformer 6 das Signal an die Koinzidenzstufe 11 für 14 Hz weiterleitet, bei Auftreten der großen 15 Hz Amplitude neben Selektivfilter 4 für 15 Hz auch die benachbarten Filter 4 für 14 Hz und 16 Hz angeregt werden. Das vorgeschlagene Prinzip einer zweidimensionalen Signalanalyse nützt die Tatsache aus, daß in dem oben geschilderten Fall zwar die Selektivfilter 4 für 14» 15 und 16 Hz erregt werden, die Ausgangsimpulse der Filtereinheiten bzw. der dazugehörenden Impulsformer jedoch zeitverzögert auftreten, so daß über die entsprechenden Koinzidenzstufen 11 bei geeigneter Eichung vier bis sechs Selektierfiltereinheiten mit jeweils einem Nulldurchgangsimpuls verglichen werden. Aufgrund der Koinzidenzbedingung kann nur eine der Koinzidenzstufen 11, die jeweils zuständige Koinzidenzstufe,,den Impuls zur Auswertung weiterleiten. (Fig· 2) Als entscheidender Vorteil dieser Anordnung der zweidimensionalen Signalanalyse kann die geringe Störanfälligkeit auf eingangsseitige Amplitudenschwankungen sowie eine verbesserte Signalauflösung bei geringem Eichaufwand hervorgehoben werden« Zur Auswertung gelangen im Ausführungsbeispiel von den Koinzidenzstufen 11 durchgelassene Impulse an Zähleingänge von jeweils zwei Frequenzzählern, die in einstellbaren Zeitabständen abgefragt werden. Die Zählerstände geben also Aufschluß über die Anzahl der aufgetretenen Perioden der verschiedenen Frequenzanteile. Um eine kontinuierliche Analyse auch bei endlicher Zählerkapazität zu gewährleisten, wurde die Zähleransteuerung mit Hilfe eines elektronischen Wechselschalters derart angeordnet, daß jeweils eine Zählergruppe geladen wird, während eine dazu parallel angeordnete Zählergruppe abgefragt werden kann (Multiplexer). Vorgegebene Analysezeiten, wählbar zwischen 10 s und

15 min, steuern den elektronischen Wechselschalter, so daß die Zählerkapazität in keinem Fall überschritten werden brauchte.

Da bei Beginn des n_e-Analysezyklus. die gespeicherten Analyseergebnisse des (n-1).Zyklus abgefragt und numerisch ausgedruckt, werden, danach die Zähler gelöscht werden, ist die Kontinuität der Signalanalyse über beliebig längere Zeiträume gewährleistet.

Claims (1)

1. Erflndungsanspruch

   1· Schaltungsanordnung zur Frequenzanalyse von analogen Signalen, wobei die auszuwertenden analogen Signale auf parallel geschaltete Eingänge von aktiven Vorfiltern (2) geführt sind, jedem Vorfilter (2) ein einstellbarer Anpassungsverstärker (3) nachgeschaltet ist, an jedem Anpassungsverstärker (3) mehrere aktive Selektivfilter (4) mit großer Flankensteilheit parallel angeschlossen sind, denen Schwellwertelemente (5) und Impulsformer (6) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,

   - daß jeder den Selektivfiltern (4) nachgeschaltete Impulsformer (6) mit jeweils einem Eingang einer Koinzidenzstufe (11) verbunden ist, wobei deren Ausgänge an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, und₅daß jedem Vorfilter (2) ein weiterer Anpassungsverstärker (7) angeschlossen ist, dem nacheinander in Reihe ein Nulldurchgangsdetektor (8), ein Zeitverzögerungsglied (9) und ein Impulsformer (10) nachgeschaltet sind, wobei der Ausgang dieses Impulsformers (10) mit dem zweiten Eingang aller dem entsprechenden Vorfilter (2) nachgeschalteten Koinzidenzstufen (11) verbunden ist·

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