DE102009060422A1

DE102009060422A1 - Bidirektionale, offsetfreie Stromquelle mit symmetrischem Ausgang für Impedanzmessung

Info

Publication number: DE102009060422A1
Application number: DE200910060422
Authority: DE
Inventors: Uwe 37308 Pliquett; Thomas 37308 Nacke; Markus 04105 Schönfeld
Original assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Current assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Stromquelle für die Verwendung in Impedanzmesssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pole der Stromquelle (P1) (P2) durch den nicht negierenden und negierenden Ausgang eines Operationsverstärkers (OP1) gebildet werden, eine Reihenschaltung eines Messwiderstandes (R_M) und der zu messenden Impedanz (R_L) jeweils mit einem der beiden Ausgängen des Operationsverstärkers verbunden ist, zwei Gegenkopplungen vorgesehen sind, wobei die erste Gegenkopplung das Spannungssignal am Knotenpunkt von Messwiderstand (R_M) und Lastwiderstand (R_L) an den einen Eingang des Operationsverstärkers führt und die zweite Gegenkopplung das Spannungssignal vom anderen, nicht mit dem Messwiderstand verbundenen Pol des Lastwiderstandes an den Eingang eines Tiefpass führt und der Ausgang des Tiefpasses mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine bidirektionale, offsetfreie Stromquelle mit symmetrischem Ausgang, die insbesondere für Bio-Impedanzmessungen geeignet ist. Es ist eine Vielzahl von bidirektionalen symmetrischen Stromquellen bekannt, die den Strom durch einen Messwiderstand ermitteln und als Gegenkopplungssignal auf den Eingang rückführen. Geringste Unsymmetrien führen aber zu einen nicht kompensierbaren Offset. Dieser Offset bewirkt, dass die Probe während der Impedanzmessung nicht nur mit einem Wechselstrom, sondern auch mit einem Gleichstrom beaufschlagt wird, was zu einer unzulässigen Verfälschung der Messergebnisse führt.
Die Erfindung schlägt eine Stromquelle vor, die durch zwei Gegenkopplungszweige gekennzeichnet ist. Der eine Gegenkopplungszweig sorgt dafür, dass das Wechselstromsignal exakt einem Führungssignal folgt, der andere Gegenkopplungszweig führt das negierte Ausgangssignal einem Tiefpass zu, der den Gleichspannungsanteils im Ausgangssignal herausfiltert und phasenrichtig einem zweiten Eingang der Stromquelle zuführt. Beide Gegenkopplungszweige sind durch die Verwendung jeweils einen der beiden Eingänge und jeweils einen der beiden Ausgänge schaltungsmäßig getrennt.
Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigen:
1 Erfindungsgemäße Stromquelle mit zwei Gegenkopplungen
2 Stromquelle mit zwei Gegenkopplungen und zusätzlichen Symmetriewiderstand
In 1 wird verdeutlicht, dass die beiden Ausgänge des Operationsverstärker OP1 mit einer Reihenschaltung eines Messwiderstandes R_M mit der Impedanz R_L verbunden sind. Für die Ermittlung von Bioimpedanzen werden für die Messung Frequenzen zwischen 10 Hz ... 100 kHz bevorzugt, da in diesem Bereich die aussagefähigsten Resultate für die Ermittlung von Stoffeigenschaften erwartet werden. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Messbereich beschränkt. Am Eingang des Operationsverstärkers OP1 liegt als Führungssignal eine Wechselspannung U_s mit Frequenzen an, die dem Messbereich entsprechen. Durch die Gegenkopplung zwischen dem Knotenpunkt P1 zwischen Impedanz R_L und Messwiderstand R_M wird ein stromproportionales Signal direkt auf den nichtinvertierenden Eeingang des Operationsverstärkers zurückgeführt mit dem Ergebnis, dass der Strom durch die Impedanz genau dem Führungssignal U_s folgt. Es gilt I_L = U_s/R_M
Die zweite Gegenkopplung ist mit dem negierenden Ausgang des OP1 verbunden und besteht aus der Impedanzwandlerstufe OP3 sowie dem Integrator OP2/R7/C1 sowie dem otionalen Spannungsteiler R5/R6.
2 stellt eine vorteilhafte Weiterentwicklung insofern dar, dass durch Einfügung eines Symmetrierwiderstandes R_S eine verbesserte Symmetrie der Stromquelle erreicht wird. Es ist vorteilhaft, den Wert von R_S gleich dem Wert von R_M zu wählen.
Wie in 3 dargestellt, können die beiden Gegenkopplungszweige auch vertauscht werden. Es ist auch möglich, den Tiefpass OP2 durch ein passives RC oder LC-Netzwerk nachzubilden.

Claims

Stromquelle für die Verwendung in Impedanzmesssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pole der Stromquelle (P1) (P2) durch den nicht negierenden und negierenden Ausgang eines Operationsverstärkers (OP1) gebildet werden, eine Reihenschaltung eines Messwiderstandes (R_M) und der zu messenden Impedanz (R_L) jeweils mit einem der beiden Ausgängen des Operationsverstärkers verbunden ist, zwei Gegenkopplungen vorgesehen sind, wobei die erste Gegenkopplung das Spannungssignal am Knotenpunkt von Messwiderstand (R_M) und Lastwiderstand (R_L) an den einen Eingang des Operationsverstärkers führt und die zweite Gegenkopplung das Spannungssignal vom anderen, nicht mit dem Messwiderstand verbundenen Pol des Lastwiderstandes an den Eingang eines Tiefpass führt und der Ausgang des Tiefpasses mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.
Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung eines Messwiderstandes (R_M), der zu messenden Impedanz (R_L) und eines Symmetrierwiderstandes (R_S) mit dem nicht negierenden und dem negierenden Ausgang des Operationsverstärkers OP1 verbunden ist und die Signale für die erste Gegenkopplung am Knotenpunkt zwischen dem Messwiderstand (R_M) und der zu messenden Impedanz (R_L) und die Signale für die zweite Gegenkopplung am Knotenpunkt zwischen dem Symmetrierwiderstand (R_S) und der zu messenden Impedanz (R_L) abgenommen sind.
Stromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Messwiderstandes (R_M) und Symmetrierwiderstandes (R_S) den gleichen Widerstandswert besitzen.