DE1942754B2 - Schaltungsanordnung für den selbsttätigen Abgleich einer einem elektrischen Nutzsignal überlagerten Störspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den selbsttätigen Abgleich einer einem elektrischen Nutzsignal überlagerten Störspannung, bei der die zum Abgleich erforderliche Abgleichspannung durch Änderung des Widerstandswertes eines im Abgleichkreis befindlichen stromdurchflossenen Widerstandes erzeugt und die Änderung durch den erfolgten Abgleich unterbrochen ist

Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise bei der direkten Blutdruckmessung benötigt, insbesondere, wenn als mechanisch-elektrische Druckwandler Dehnungsmeßstreifen verwendet sind. Dehnungsmeßstreifen besitzen einen druckabhängigen elektrischen Widerstand und ermöglichen damit die Umwandlung eines Druckes in eine dem Druckwert entsprechende elektrische Spannung (Nutzsignal). Eine Änderung des Meßstreifenwiderstandes ergibt sich jedoch nicht nur auf Grund von Blutdruckschwankungen, sondern auch auf Grund von vom Blutdruck unabhängigen Temperaturänderungen, Lageänderungen oder bei einem Austausch der Wandler. Die auf Grund dieser Widerstandsänderungen erzeugte elektrische Spannung ist als Störspannung dem Nutzsignal überlagert und muß. da sie das Meßergebnis verfälscht, jeweils vor Beginn einer Blutdruckmessung durch eine entsprechend große Abgleichspannung abgeglichen werden.

Bei bekannten derartigen Vorrichtungen (z. B. Siemens-Taschenbuch für Messen und Regeln in der Wärme- und Chemietechnik, 1962, S. 155 bis 157) wird die Abgleichspannung in der Weise gewonnen, daß mittels eines Startsignals, z. B. durch Drücken einer Starttaste, ein Motor in Betrieb gesetzt wird, der über ein Getriebe den Schleifkontakt eines durch eine Gleichspannungsquelle gespeisten Potentiometers kontinuierlich so verschiebt, daß die am Schleifkontakt abgenommene Spannung proportional mit der Zeit wächst. Durch entsprechende Wahl der an den Potentiometeranschlüssen angelegten Gleichpotentiale kann dabei die abgenommene Spannung sowohl negative als auch positive Werte annehmen. Die so gewonnene Abgleichspannung wird in einem Spannungskomparator mit der verstärkten Störspannung verglichen. Sobald beide Spannungen gleich groß sind und damit der Abgleich erreicht ist, wird der Motor durch den Komparator abgeschaltet.

Bei derartigen Vorrichtungen kann das Potentiometer mit Schleifkontakten verhältnismäßig schnell verschleißen und muß daher häufig ausgewechselt werden. Ferner sind motorische Antriebe träge und die Abgleichzeitkonstante ist daher zu groß; sie sind außerdem teuer, schwer, benötigen Platz und vergrößern damit unnötig den Gesamtaufbau.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne Potentiometer und motorische Antriebe auskommt und auf möglichst kleinem Raum

aufzubauen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäiä durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß als Widerstände Festwiderstände vfwendet sind, die mechanisch nicht beansprucht werden und deshalb ihren Widerstandswert nicht ändern. Elektronische Schalter können auf Grund ihrer Ideinen Schaltzeit rasch angesteuert werden. Infolge dieser Eigenschaft wird die Abgleichzeitkonstante erheblich verringert Elektronische Bauelemente besitzen außerdem ein geringes Gewicht, sind vernältnisnäßig billig und lasser <;ich insbesondere in integrierter Bauweise auf kleinstem Raum anordnen.

Zur Erzeugung der erwünschten stufenweisen Änderung des besagten Widerstandes ist es sinnvoll. Taktgeber vorzusehen, die fortlaufend die den einzelnen Abgleichwiderständen zugeordneten, sich vor Beginn des Abgleichvorganges in der gleichen Schaltstellung befindlichen Schalter abwechselnd öffnen und schließen, wobei jeder Schalter der Reihe nach beim Zurückkehren des ihm vorangehenden Schalter.·· in seine Ausgangsstellung schaltbar ist. Durch eine derartige Steuerung der Schalter läßt sich eine entweder nur monoton steigende oder monoton fallende treppenförmige Abgleichspannung erzeugen.

Vorteilhaft ist es dabei, die Taktgeber durch Flip-Flop-Stufen eines Binärzählers zu verwirklichen, zur Steuerung des Binärzählers einen Steuerimpulsgenerator zu benützen und zwischen Binärzähler und Steuerimpulsgenerator eine elektronische Torschaltung einzufügen, die zu Beginn des Abgleichvorganges geöffnet und bei erfolgtem Abgleich gesperrt ist.

Durch eine derartige Ausbildung, Anordnung und Ansteuerung der Taktgeber ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Ausführung einer Steuerung der Schalter im Sinne der Erfindung. Durch die Einschaltung eines elektronischen Tores zwischen dem Binärzähler und dem Steuerimpulsgenerator ist es möglich, auf einfache Weise den Zähler zu starten und ihn wieder zu unterbrechen; dabei kann das Tor beispielsweise durch einen von Hand eingegebenen Startimpuls geöffnet und durch einen bei erfolgtem Abgleich im Spannungskomparator erzeugten Impuls gesperrt werden.

Durch Steigerung der Taktfrequenz des Steuerimp sgenerators kann die Abgleichzeit verkürzt werden, Wv . erwünscht ist. Die Taktfrequenz darf edoch nicht so groß werden, daß der Komparator im Augenblick der Spannungsgleichheit von Stör- und Abgleichspannung den Nulldurchgang der Differenzspannung nicht mehr registrieren kann.d. h. kein Abgleich zustande käme.

Zur Einstellung einer passenden Abgleichzeit ist es daher vorteilhaft, einen in seiner Taktfrequenz veränderbaren Steuerimpulsgenerator zu verwenden. Eine Änderung der Taktfrequenz kann beispielsweise von Hand durch Änderung einer am zeitbestimmenden Glied anliegenden Vorspannung geschehen.

Vorteilhafter ist es jedoch, die ans Stör- und Abgleichspannung gebildete Differenzspannung einem zeitbestimmenden Glied des Steuerimpulsgenerators derart zuzuführen, daß mit abnehmender Differenzspannung die Taktfrequenz des Steuerimpulsgenerators erniedrigt wird. Eine derartige Steuerung der Taktfrequenz gewährleistet bei ausreichend niedrigen Abgleichzeiten immer einen sicheren Abgleich.

Zweckmäßigerweise verwendet man Transistoren, insbesondere Schalttransistoren, als elektronische Schalter. Transistoren besitzen enorm kurze Schaltzeiten, benötigen wenig Energie beim Schalten, sind klein und billig.

Das Ein- und Ausschalten einzelner Abgleichwiderstände in dem Abgleichkreis geschieht vortei'hafterwei-S se so, daß die Abgleichwiderstände parallel in den Abgleichkreis ein- und ausschaitbar sind. Die Abgleichwiderstände sind im Kollektorzweig der Transistoren eingebracht Die Abgleichspannung kann beispielsweise über einem Festwiderstand abgegriffen werden, der

ίο zusammen mit den im Abgleichkreis befindlichen Widerständen einen Spannungsteiler bildet. Um eine gleichmäßige Stufung der Treppenspsuinung zu erhalten, muß dieser Widerstand allerdings klein sein gegenüber dem kleinsten Abgleichwiderstand. Da diese Bedingung nur unzureichend erfüllt werden kann, ist es vorteilhaft, die Abgleichwiderstände zusammen mit einem konstanten Widerstand ah Spannungsteiler aufzubauen und die über den Abgleichwiderständen abfallende Teilspannung einem Differenzverstärker derart zuzuführen, daß eine anfänglich am Ausgang des Verstärkers liegende negative Spannung entsprechend der Änderung der Teilspannung in gleich hohen Stufen zu positiven Werten verschoben wird; dadurch wird eine gleichmäßige Stufung der Treppenspannung erreicht.

Mit abnehmender Bewertung der Abgleichwiderstände wird in zunehmendem Maße der durch diese Widerslände fließende Strom durch den Kollektor-Emitter-Durchlaßwiderstand der den Widerständen zugeordneten Transistoren mitbeeinflußt. Zur Verringerung dieses Einflusses ist es daher vorteilhaft. Transistoren, deren zugehöriger Abgleichwiderstand betragsmäßig kleiner ist als der tausendfache Transistordurchlaßwiderstand, invers zu betreiben; der Wert des Kollektor F.mitter-Durchlaßwiderstandes ist bei Inversbetrieb gegenüber dem bei Normalbetrieb wesentlich verringert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung im folgenden näher erläutert.

In der Zeichnung, die ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Lösung zeigt, sind Abgleichwiderstände 1 bis 10 (3 bis 7 nicht eingezeichnet) durch parallel zueinander liegende ohmsche Widerstände dargestellt. Die Abgleichwiderstände 1 bis 10 sind in ihrem Widerstandswert im Dual-Code gestuft; wenn also z. B. der Abgleichwiderstand 1 den Wert Ro hat, so besitzt jeder weitere Widerstand 2 bis 10 den Wert 2"-¹Ro, mit η = 2,3... 10 entsprechend seiner Bezugsziffer.

Jedem Abgleichwiderstand 1 bis 10 ist ein Schalttransistor 11 bis 20 (13 bis 17 nicht eingezeichnet) zugeordnet, der im leitenden Zustand über seine Kollektor-Emitter-Strecke einen aus einer Gleichspannungsquelle 21 mit der positiven Ausgangsspannung i", einem ohmschen Widerstand 22 und dem entsprechenden Abgleichwiderstand 1 bis 10 gebildeten Stromkreis zur Masse schließt. Die Schalttransistoren ti bis 20 werden durch Flip-Flop-Stufen 23 bis 32 (25 bis 29 nicht eingezeichnet) eines Binärzählers 33 gesteuert, so daß jeder Schalttransistor 11 bis 20 im Takt der Kippfrequenz der ihm zugeordneten Flip-Flop-Stufe 23 bis 32 abwechselnd in den leitenden und gesperrten Zustand gebracht wird; die Steuerung des Binärzählers 33 geschieht dabei mittels von einem Steuerimpulsgenerator 34 (astabiler Multivibrator) erzeugter und der

G₅ Flip-Flop-Stufe 32 zugeführter Steuerimpulse,

Jeder an der Flip-Flop-Stufe 32 eintreffende Steuerimpuls bringt diese zum wechselweisen Umkippen. Der Schalttransistor 20 wird damit entsprechend der

Kippfrequenz der Flip-Flop-Stufe 32 abwechselnd leitend und gesperrt, jeder folgende Schalttransistor 19 bis 11 wird dann mit einer jeweils um den Faktor Zwei untersetzten Frequenz abwechselnd leitend und gesperrt. Beim Zurückkehren des Schalttransistors 20 in s seine (gesperrte) Ausgangsschaltstellung wird der Schalttransistor 19 erstmals leitend, und beim erneuten Zurückkehren des Schalttransistors 20 in seine Ausgangsschaltstellung wird der Transistor 19 wieder gesperrt usw. Beim Eintreffen des 1024sten Steuerimpulses an der Rip-Flop-Stufe 32 kippen alle Flip-Flop-Stufen 23 bis 32 des Binärzählers 33 wieder in ihren Ausgangszustand, d. h„ alle Schalttransistoren 11 bis 20 werden gesperrt

Durch ein derartiges Ein- und Ausschalten der Abgleichwiderstände 1 bis 10 wird der gesamte, durch die parallel eingeschalteten Widerstände gebildete Widerstandswert, beginnend mit dem höchsten Widerstandswert des Abgleichwiderstandes 10 (=512/?o) stufenweise verkleinert.

Die stufenweise Verkleinerung des gesamten Widerstandswertes bewirkt entsprechend eine stufenweise Verkleinerung der über den eingeschalteten Widerständen abfallenden Spannung Uiign. Die Spannung L/%« ist gleichzeitig die Eingangsspannung des invertierenden Eingangs 35 eines Differenzverstärkers 36, dessen nicht invertierender Eingang 37 mittels ohmscher Widerstände 38 und 39 und der Gleichspannungsquelle 21 an ein konstantes Gleichspannungspotential gelegt ist

Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 38 und 39 sowie des Widerstandes 22 läßt sich damit eine Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers 36 erzeugen, die von einem festen negativen Wert an mit abnehmendem Gesamtwiderstand der eingeschalteten Abgleichwiderstände 1 bis 10 zu positiven Werten verschoben wird. Ein geeigneter Rückkopplungswiderstand 40 bewirkt dabei, daß die Ausgangsspannung Ua in Stufen mit gleicher Höhe geändert wird. Die Ausgangsspannung Ua ist die für den Abgleich erforderliche Abgleichsspannung; sie wird in einem Abgleichpunkt 41 einer abzugleichenden Störspannung Ust überlagert Die Abgleichwiderstände 1 bis 10 und ihre Schalttransistoren 11 bis 20, der Differenzverstärker 36 und die Gleichspannungsquelle 21 einschließlich der Widerstände 22, 38, 39 u-id des Rückkopplungs-Widerstandes 40 sowie der Abgleichpunkt 41 bilden in ihrer Gesamtheit einen Abgleichkreis 42.

Die Steuerimpulse des Steuerimpulsgenerators 34 werden dem Binärzähler 33 über eine elektronische Torschaltung 42' zugeführt Die Torschaltung 42' kann durch eine Flip-Flop-Stufe 43 geöffnet bzw. gesperrt werden. Die Öffnung geschieht mittels eines an die Flip-Flop-Stufe 43 angelegten, durch eine Drucktaste 44 erzeugten Startimpulses, die Sperrung mittels eines bei erfolgtem Abgleich von einem Spannungskomparator 45 (Nullverstärker) erzeugten Impulses.

Der Abgleich der Störspannung Ust geschieht am Aasgang eines Meßverstärkers 46, dessen Eingang dem Nsllzweig einer aus vier Dehnungsmeßstreifen 47 aufgebauten und aus einer Gleichspannungsquelle 48 ^₀ gespeisten Widerstandsbrücke 49 parallel geschaltet ist Die als Brocke geschalteten Dehnungsmeßstreifen 47 dienen als mechanisch-elektrische Druckwandler zur Umwandlung des im Innern eines Blutgefäßes herrschenden Blutdruckes in eine elektrische Spannung. ^

Die auf die Dehnungsmeßstreifen 47 einwirkenden Bhttdruckschwankungen bewirken eine den Blutdruckschwankungen entsprechende Änderung des Wider- standswertes der Dehnungsmeßstreifen 47. Die auf Grund dieser Widerstandsänderung im Nullzweig der Widerstandsbrücke 49 auftretende Spannung (Nutzsignal) ist ein Maß für den Blutdruck. Die Spannung wird mittels des Meßverstärkers 46 verstärkt und einem Anzeigegerät 50 zugeführt.

Änderungen des Widerstandswertes der Dehnungsmeßstreifen 47 ergeben sich auch auf Grund von Temperaturschwankungen, Lageänderungen bzw. bei einem Austausch der Dehnungsmeßstreifen 47. Die dadurch im Nullzweig entstehende Spannung ist als Störspannung dem Nutzsignal überlagert. Sie wird ebenfalls mittels des Verstärkers 46 verstärkt und ergibt (zusammen mit im Verstärker 46 noch erzeugter Störanteile) die abzugleichende Störspannung Ust.

Die im Abgleichpunkt 41 auftretende Differenzspannung Ust - Ua wird je nach Polarität über eine Diode 51 oder 52 einem Differenzverstärker 53 zugeführt, dessen Ausgangsspannung einer an einem zeiibestimmenden Glied des Steuerimpulsgenerators 34 liegenden frequenzbestimmenden Vorspannung derart überlagert ist, daß mit abnehmender Differenzspannung Ust - Ua die Taktfrequenz des Steuerimpulsgenerators 34 entsprechend erniedrigt wird.

Die frequen/bestimmende Vorspannung läßt sich dabei mittels eines aus den ohmschen Widerständen 54 und 55 gebildeten und aus einer Gleichspannungsquelle 56 gespeisten Spannungsteilers einstellen.

Der Abgleich der Störspannung Ust wird wie folgt durchgeführt:

Vor Beginn eines Abgleichvorganges wird die Widerstandsbrücke 49 vom pulsierenden Blutstrom getrennt, was in bekannter Weise mittels eines nicht eingezeichneten Trennventils geschehen kann. Zum Starten des Abgleichvorganges wird kurzzeitig die Drucktaste 44 betätigt. Die bis dahin gesperrte Torschaltung 42' wird durch die Flip-Flop-Stufe 43 geöffnet, womit Steuerimpulse vom Steuerimpulsgenerator 34 in den Binärzähler 33 gelangen. Die Abgleichspannung Ua wird stufenweise so lange zu positiven Werten verschoben, bis ihr Betrag dem Betrag der Störspannung Ust entspricht, ihr Vorzeichen jedoch dem Vorzeichen der Störspannung l/srentgegengesetzi ist.

Im Augenblick des Nulldurchgan^- der Differenz spannung Ust - Ua gibt der Spannungskomparator 45 einen Impuls ab, der die Flip-Flop-Stufe 43 in ihr« Ausgangslage zurückversetzt, bzw. die Torschaltung 42 sperrt. Die Abgleichspannung Ua behält ihren konstan ten Wert so lange, bis ein neuer Abgleichvorganj gestartet wird.

Nach Durchführung des Abgleiches wird da: Trennventil wieder geöffnet und das nunmehr au Grund der Blutdruckschwankungen auftretende Nutz signal am Anzeigegerät 50 angezeigt

Soll ein neuer Abgleichvorgang gestartet werden.» muß erneut die Drucktaste 44 betätigt werden; de Btnärzähler 33 zählt dann so lange weiter, bis all· Flip-Flop-Stufen 23 bis 32 ihre Ausgangsstellung wiede erreicht haben, d.h. alle Schalttransistoren 11 bis 21 wieder gesperrt sind. Die Abgleichspannung Ua spring in diesem Augenblick wieder auf ihren negative) Ausgangswert um anschließend wieder bis zum neuei Abgleich anzusteigen.

Da der Zähler zehnstufig aufgebaut ist, läßt sich ei; vorgegebenes, maximal zu durchlaufendes Abgleich Spannungsintervall in insgesamt 2'° «= 1024 Schritt unterteilen. Dies bedeutet auf die gesamte Schrittzal

gerechnet, eine Auflösung von besser als 0,1 %.

Die Zeit zwischen zwei Schritten liegt im Mittel bei etwa 2 msec, was eine maximale Abgleichzeit von etwa 2 see ergibt. Eine derartige Abgleichzeit ist als schnell anzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für den selbsttätigen Abgleich einer einem elektrischen Nutzsignal überlagerten Störspannung, bei der die zum Abgleich erforderliche Abgleichspannung durch Änderung des Widerstandswertes eines im Abgleichkreis befindlichen stromdurchflossenen Widerstandes erzeugt und die Änderung durch den erfolgten Abgleich unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand durch eine Mehrzahl in ihrem Widerstandswert nach dem Dual-Code gestufter Abgleichwiderstände (1 bis 10) gebildet ist und die Abgleichwiderstände (1 bis 10) durch elektronische Schalter (Schalttransistoren 1 bis 20) nacheinander im Abgleichkreis (42) ein- oder ausschaltbar sind, derart, daß der gesamte Wide, standswert bis zum erfolgten Abgleich stufenweise veränderbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Taktgeber (FHp-FJop-Stufen 23 bis 32), die fortlaufend die den einzelnen Abgleichwiderständen (1 bis 10) zugeordneten, sich vor Beginn des Abgleichvorganges in der gleichen Schaltstellung befindlichen Schalter (Schalttransistoren 11 bis 20) abwechselnd öffnen und schließen, wobei jeder Schalter (Schalttransistoren 20 bis 11) der Reihe nach beim Zurückkehren des ihm vorangehenden Schalters in seine Ausgangsschaltstellung umschaltbar ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktgeber durch Flip-Flop-Stufen (23 bis 32) eines Binärzählers (33) verwirklicht find, daß zur Steuerung des Binärzähler-- (33) ein Steuerimpulsgenerator (34) vorhanden und zwischen Binärzähler (33) und Steuerimpulsgenerator (34) eine elektronische Torschaltung (42') vorgesehen ist, die zu Beginn des Abgleichvorganges geöffnet und bei erfolgtem Abgleich gesperrt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seiner Taktfrequenz veränderbarer Steuerimpulsgenerator (34) verwendet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Störspannung (Ust) und Abgleichspannung (LJa) gebildete Differenzspannung (Ust - (/feinem zeitbestimmenden Glied des Steuerimpulsgenerators (34) derart zugeführt ist, daß mit abnehmender Differenzspannung (Ust — Ua)Uw Taktfrequenz des Steuerimpulsgenerators (34) erniedrigt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schalter Transistoren, insbesondere Schalttransistoren (11 bis 20), mit ihrer Kollektor-Emitter-Strecke als Schalt strecke verwendet sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichwiderstände (1 bis 10) parallel in den Abgleichkreis (42) ein- und ausschaltbar sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Transistoren, deren zugehöriger Abgleichwiderstand betragsmäßig kleiner ist als etwa der tausendfache Transistordurchlaßwiderstand, invers betrieben sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichwiderstände (1 bis

10) zusammen mit einem konstanten Widerstand (22) einen Spannungsteiler bilden und daß die über den Abgleichwiderständen (1 bis 10) abfallende Teilspannung (U«ga) einem Differenzverstärker (36) derart zugeführt ist, daß eine anfänglich am Ausgang des Differenzverstärkers (36) liegende negative Spannung entsprechend der Änderung der Teilspannung (URgci) in gleich hohen Stufen zu positiven Werten verschiebbar ist