DE2113236B2

DE2113236B2 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Neigungspolarität

Info

Publication number: DE2113236B2
Application number: DE2113236A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1970-04-14
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1979-10-25
Also published as: NL7104343A; DE2113236C3; US3678296A; DE2113236A1

Description

die Spannung V\ oder größer und führt dazu, daß der Schmitt-Trigger ein NuU-Ausgangssignal for dfe Spannung V2 oder kleiner aufweist, wo V2 Meiner als Vt um eine endliche Spannung ist Wenn ζ,,Β, das Eingangssignal des Schmitt-Triggers Gipfel oder Täler aufweist, die nicht außerhalb des Hysteresisbereiches fallen, werden diese Gipfel und Täler innerhalb des Hysteresisbereiches nicht festgestellt werden, so daß sich Ungenauigkeiten bezüglich der Atmungsfrequenz ergeben. Das Anwenden der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwischen dem Gleichstromverstärker und dem Schmitt-Trigger löst dieses Problem.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die Stellen der Nullneigung an einer Eingangswellensignalform feststellt, wo die Schaltungsanordnung innerhalb von Grenzwerten unempfindlich ist gegenüber Veränderungen der Amplitude, Frequenz und Verlagerungswertveränderungen des Eingangssignals.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Eingangs-Speicheranordnung in Verbindung mit einem negativen Rückkopplungs-Verstärker steht, der so angeordnet ist, daß dersel'.s eine hohe Eingangsimpedanz annimmt, wenn die Neigung des Eingangssignals praktisch null ist und eine niedrige Eingangsimpedanz annimmt, wenn die Neigung des Eingangssignals sich von null unterscheidet, daß der negative Rückkopplungsverstärker ein Signal abgibt, das einen Hinweis auf die Veränderung der Neigungspolarität praktisch gleichzeitig mit der Veränderung der Eingangsimpedanz zwischen hohen und niedrigen Weiten aufweist

Der Ausdruck »Veränderung der Neigungspolarität« soll eine Veränderung der Neigung von positiv zu negativ, von negativ zu positiv, von positiv zu null, von null zu positiv, von negativ zu null und von null zu negativ bedeuten. Die Schaltungsanordnung weist einen eine hohe Verstärkung ergebenden Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz auf mit einer negativen Rückkopplungsanordnung, die Gegentaktzenerdioden« (in Serie geschaltete, mit der Kathode verbundene Zenerdioden) mit gleicher Zenerspannung besitzt Das Eingangssignal wird kapazitiv in dem invertierenden Eingang des Verstärkers angekoppelt und die Rückkopplungsdioden sind zwischen dem Verstärkerausgang und dem invertierenden Eingang angeordnet

Es sei von der Annahme ausgegangen, daß das Eingangssignal durch eine Quelle mit niedriger Impedanz zugeführt wird. Bei einem weiter unten zu erläuternden speziellen Impedanz-Pneumographen wird die Schaltungsanordnung zwischen einem Gleichstromverstärker niedriger Impedanz, der das Eingangssignal for die Schaltungsanordnung erzeugt sowie einem Schmitt-Trigger angeordnet an den der Ausgang geführt ist Wenn auch die Schaltungsanordnung nicht auf einen Betrieb vermittels einer Quelle niedriger Impedanz beschränkt ist erfolgt die Erläuterung jedoch anhand einer derartigen Quelle aus Gründen der Einfachheit

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Verstärkerschaltungsanordnung;

F i g. 2 ein teilschernatisches Teilblockdiagramm des ErfindungsgegRnstandes;

Fig.3 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals der erfindüngsg .mäßen Vorrichtungsanordnung im Vergleich im richtigen Zeitverhältnis mit dem Eingangssignal des Schaltungsanordnung;

Fig,4 ein scbematisches Diagramm einer Ausföhrungsform, wie sie insbesondere bei dem Impedanz-Pneumographen zweckmäßig ist;

F i g, 5 eine graphische Darstellung der Wellenformen verglichen im richtig zeitlich abgestimmten Verhältnis und zeigt das Schmitt-Trigger Ausgangssignal, das sich aufgrund eines gegebenen Eingangssignals einmal bei

ίο Anwenden und einmal ohne Anwenden des Erfindungsgegenstandes ergibt

Vor Beschreiben des Erfindungsgegenstandes im einzelnen sei auf einen Schaltbestandteil, und zwar den Verstärker, hingewiesen. Die F i g. 1 zeigt einen Verstärker 110 mit negativer Rückkopplung, sowie Eingangsimpedanz Ul und Rückkopplungsimpedanz 112. Der Knoten 114 wird als »Summierungspunkt« bezeichnet der Anschluß 116 ist der Einlaß und der Anschluß 115 ist der Auslaß. Die Rfickkopplungsimpedanz 112 ist zwischen dem Auslaß 115 und dem Summierungspunkt 114 angeschienen, der der invertierende Eingang (-) des VerstärKers 110 ist »impedanz« ist ein Begriff, der angewandt wird, um den hindernden Effekt zu beschreiben, den ein Schaltungselement auf einen durch dasselbe hindurchtretenden Strom dann ausübt wenn eine Spannung beaufschlagt wird. Die Impedanz kann resistiv, induktiv, kapazitiv sein und kann Kombinationen derselben darstellen, und weiterhin kann sich dieselbe als eine Funktion der Frequenz, der Spannung usw. verändern. Bei dem Betrieb wird jedes auf den Anschluß Hb" beaufschlagte positive Signal durch den Verstärker 110 verstärkt wird jedoch an dem Auslaß 115 als ein negatives Signal erscheinen und umgekehrt Das Verhältnis der Größe des Ausgangssignals zu dem Eingangssignal ist gleich dem Verhältnis der Werte der Rückkopplungsimpedanz 112 zu der Eingangsimpedanz 111.

Charakteristika von Verstärkern sind hohe Eingangsimpedanz, geringe Ausgangsimpedanz und hohe rück- führungslose Verstärkung, und dies ist die Verstärkungvon der Impedanz 112 entfernt ist (geschlossener Vorstärkerkreislauf ist gleich der Impedanz 112/impedanz 111). Der Stromfluß in oder aus den invertierenden (-) und nicht invertierenden (+) Eingangsanschlüssen ist sehr klein aufgrund der hohen Eingangsimpedanz. Die Spannung zwischen diesen Anschlüssen ist sehr klein aufgrund der negativen Rückkopplung, wie dargelegt und wird eng benachbart zu der Erdung oder dem gemeinsamen Potential 113 liegen. Erfindungsgemaß werden diese typischen Charakteristika angewandt

Fig.2 ist ein schematisches Diagramm des Erfindungsgegenstandes. Das Eingangssignal der Schaltung tritt an dem Leiter 116 ausgehend von einer Quelle 120 niedriger Impedanz auf. Das Eingangssignal wird kapazitiv über den Kondensator 117 entsprechend der Eingangsimpedanz Ul nach der Fig. I an dem Summierungspunkt 114 des Verstärkers HO angekoppelt Der Verstärkerausgang 115 steht in Verbindung mit dem Summkningspunkt 114 über die Zenerdioden 118 und 1 !9, und dies entsprechend der Rückkopplungsimpedanz 112 nach der F i g. 1. Die Zenerdiode 118 leitet bei deren Zenerspannung, sobald die Spannung des Verstärkerausgangs 115 positiver als die Spannung an der Summierungsverbindung 114 um einen Betrag ist, der gleich der Zeiorspar.nung Vz der Zenerdiode H 8 ist.
Bezüglich des Anwendens der Zenerdioden i 18 und

119 bei dem Erfindungsgegenstand wird der Ausdruck »Gegentakt«-Anordnung gewählt Wenn die Zenerdiode 118 in ihrer Durchbruchsphase leitet, leitet die Zenerdiode 118 als eine gewöhnliche Diode und umgekehrt. Eine gewöhnliche Diode kann einen typischen Durchlaßspannungsabfall von 0,5 V erfahren. Die Zenerdioden 118 und 119 sind so ausgewählt, daB jede derselben eine Zenerspannung von Vz besitzt Wenn somit ein Stromfluß durch die »Gegentakt-Zeneranordnung« erfolgt, wird sich die gesamte daran vorliegende Spannung auf angenähert ±(Vz+0$) belaufen und dies wird hier als ± Vz" bezeichnet.

Wenn z. B. ein Stromfluß von dem Ausgang HS zu derti_i Summierungspunkt 114 erfolgt, erfährt die Zenerdiode 119 einen Durchlaßspannungsabfall von 0,5 V und liegt die Zenerdiode 118 in ihrem Abbruchszustand vor und erfährt eine Gegenspannung — Zenerspannung — von Vz. Die Summe der Spannungen an beiden Dioden ist hier ais + Vz definiert, da der Verstärkerausgang bezüglich des Summierungspunktes positiv ist. In ähnlicher Weise wird die Zenerdiode 119 im Zustand ihrer Zenerspannung leiten, wenn der Verstärkerausgang 115 stärker negativ als der Summierungspunkt 114 um einen Betrag gleich 0,5 V + der Zenerspannung der Zenerdiode 119 ist, wodurch sich eine Rückkopplungsspannung von — Vz" ergibt.

Der nichtinvertierende Eingang ( + ) steht in Verbindung mit der Erde oder der gemeinsamen Leitung 113. Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläuter!, wird somit der invertierende Eingang ( —) oder Summierungspunkt 114 sich nicht erheblich gegenüber der Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) verändern und wird benachbart zu der Erdung oder der gemeinsamen Leitung verbleiben.

Bezüglich der Arbeitsweise sei zunächst angenommen, daß die Signalspannung an dem Leiter 116 sich auf null beläuft, und die Ladung an dem Kondensator 117 soll sich auf null belaufen, wodurch sich der Verstärkerausgang 115 ebenfalls bei null befindet. Da der Verstärker 110 sich in einem Zustand befindet, wo der Ausgang 115 nicht einen Wert von + Vz'oder — Vz' besitzt, arbeiten beide Zenerdioden 118 und 119 unterhalb der Zenerspannung. Die Impedanz der Zenerdiode ist bei einer derartigen Arbeitsweise groß. Deshalb ist auch die Eingangsimpedanz an dem Summierungspunkt 114 groß.

Es sei nun angenommen, daß das Signal von der Quelle 120 mit der niedrigen Impedanz, wie an dem Leiter 116 feststellbar, zunehmend positiv wird. Die diesem sich positiv vergrößernden Signal zunächst durch den Kondensator 117 entgegenwirkende Impedanz ist klein im Vergleich zu der Impedanz, die dem Signal durch die Eingangsimpedanz des Verstärkers HO entgegenwirkt wenn die Zenerdioden 118 und 119 nicht leitend sind Daher wird das Eingangssignal zunächst an dem Summierungspunkt 114 »gefühlt«, wodurch der Verstärker UO an der Stelle 115 ein Ausgangssigna} abgibt, das gleich dem Inversen des Eingangssignals multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist Sobald das Ausgangssignal den Wert — Vz' erreicht leitet die Zenerdiode 119 m deren Zenerdurchbruchsphase. Hierdurch wird der Ausgang 115 an dem Summierungspunkt 114 um eine Differenz von Vz' verbunden. Sobald die Zenerdiode 119 leitet wird die Eingangsimpedanz an dem Summierungspunkt 114, bei Betrachten des invertierenden Eingangs des Verstärkers, sehrniedrig. Dieselbe ist klein, da jeder von dem Kondensator 117 kommende überschüssige Strom vermittels eines Weges kleiner Impedanz durch die Zenerdiode 119 durch den Verstärkerausgang 115 nebengeschlossen wird. Wie weiter oben ausgeführt, verbleibt die Spannung zwischen den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen des Verstärkers 110 praktisch konstant. Deshalb erscheint der invertierende Eingang (-) gegenüber dem Kondensator 117 als ob derselbe leitend mit der Erde oder der gemeinsamen Leitung verbunden ist. Auf dem Gebiet der Elektronik wird der Summierungspunkt 114 als eine »virtuelle Erdung« bezeichnet. Jede weitere Erhöhung des Eingangssignals an dem Leiter 116 wird somit zu einem Aufladen des Kondensators 117 bezüglich der »virtuellen Erdung« führen.

!■> Wenn das Eingangssignal 116 aufhört zuzunehmen und beginnt abzunehmen, und zwar so, als ob dasselbe durch den positiven Gipfel einer Sinuswelle hindurchgegangen ist, ergibt sich anhand einer den Kondensator-StromfiuB beschreibenden Gleichung

ι = ndi'/d/).

daß wenn dv/dt=0 dann /=0 gilt. Der durch den Kondensator 117 hindurchgehende Strom 121 ist gleich

2> null, wenn das Eingangssignal sich auf dem Gipfel der Sinuskurve befindet. Da der Verstärker 110 einen kleinen aber endlichen Eingangsstrom in seinen invertier,Uiden Eingang(-) an dem Summierungspunkt 114 erfordert um den Verstärker 110 in einen

so »verbundenen« Zustand zu halten und da der Strom 121 auf null zu diesem Zeitpunkt verringert worden ist, verändert somit der Verstärker 110 seinen Zustand. Die Spannung an dem Auslaß 115 verändert sich von minus Vz'überOzuplus Vz'.

ü Der Grund für diese Zustandsveränderung von negativ zu positiv kann festgestellt werden, indem man die Impedanz betrachtet, die das Eingangssignal an dem Leiter 116 »sieht«. Wenn sich das Signal an seinem positiven Gipfei befindet, ist die gesehene impedanz ein Kondensator in Serie mit einem sehr großen Widerstand und der V/idcr^tHnd ist das Äquivalent der Eingangsimpedanz an dem Summierungspunkt 114, wenn sich der Verstärker in einem »nicht verbundenen« Zustand befindet. Sobald das Eingangssignal beginnt sich zu verringern von dem positiven Gipfel an dem Leiter 116 möchte sich der Kondensator 117 entladen. Der Kondensator 117 kann sich jedoch nicht entladen aufgrund der hohen Impedanz in dem Entladungsweg derselben, wie sie durch die nicht leitenden Zenerdioden

so 118 und 119 bedingt wird. Deshalb kann sich die Spannung an dem Kondensator 117 nicht sofort mn der Verringerung der Signalamplitude an dem Leiter 116 verändern und somit bleibt die Spannung an dem Kondensator 117 praktisch konstant Somit wird die Spannung an dem Summierungspunkt 114 um einen kleinen aber endlichen Betrag mit der gleichen Geschwindigkeit verringert mit der sich das Signal an dem Leiter 116 verringert innerhalb der Zeitspanne wo der Verstärker 110 in einem Zustand hoher Impedanz vorliegt Sobald jedoch die Spannung an dem Summierungspunkt 114 geringfügig negativ verringert wird, verstärkt der Verstärker HO diese negative Eingangsspannung an dem Summierungspunkt 114. Der Ausgang -115 des Verstärkers HO wird sodann positiv und wird zu dieser Zeit durch die in Zener-Art leitende Zenerdiode 119 bei plus Vz" festgelegt Es ergibt sich somit daB bei Bewegen eines Eingangssignals an dem Leiter 116 durch einen positiven Gipfel oder Veränderung der Neigungs-

Polarität, der Ausgang 113 seine Spannung um einen Betrag gleich 2 Vz' verändert. Diese Veränderung tritt praktisch gleichzeitig mit der Änderung der Neigungspolarität des Eingangs ein.

Der Erfindungsgegenstand arbeitet in ähnlicher Weise im Zusammenhang mit einem Signal, das zunächst eine Zunahme in einer negativen Richtung erfährt und sodann unter Erhöhen in einer positiven Richtung umgekehrt wird — wie dies an dem Tal einer Sinuswelle der Fall ist. Der Ausgang 115 verändert sich von positiv Vz' zu negativ Vz' bezüglich dieser Polaritätsveränderung des Eingangssignals.

Die Fig.3 stellt graphisch zwei Wellenformen im Vergleich bezüglich des richtigen Zeitverhältnisses dar, wobei die obere Wellenform das Eingangssignal an dem Leiter 116 bei dem Erfindutigsgegenstand und die untere Wellenform den Verstärkerausgang 115 nach dem Erfindungsgegenstand wiedergibt. Der Verstärker-

Olicninn iioranfini·! cninrtn 7% tr-t nr\A «mn I 1/-·' ■·*· l/-»' UU»QU* ·£» · ^t UIIUbI I JbIIIbII LiUJlUIIU TUII T TM. CU — Ψ £.

oder umgekehrt für jede Umkehr der Neigungspolarität des Eingangssignals. So verändert sich z. B. an der Stelle 172 bezüglich der Eingangssignalwellenform der Verstärkerausgang von + Vz'zu — VZ'. An der Stelle 170 ist bezüglich der Eingangssignalwellenform die Neigung negativ und verändert die Polarität nicht und der entsprechende Verstärkerausgang ist hier mit einem konstanten Wert an der Stelle 171 gezeigt.

Für jede Veränderung der Neigungspolarität des Eingangssignals ergibt sich eine Veränderung an dem Verstärkerausgang von — Vz'zu + Vz'oder umgekehrt mit ei ier Ausnahme. Zu beachten ist, daß das Teil des durch 174 gekennzeichneten Eingangssignals eine Nullneigung besitzt und hiervon nicht abweicht. Der entsprechende Verstärkerausgang ist angenähert gleich der Nullspannung, siehe 175 und ist Driftbedingungen unterworfen.

Fig.4 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform und findet ' Verwendung bei dem Impedätiz-Pneumographen. Die Verstärkeranordnung 180 weist einen Verstärker 110 mit einem Feldeffekttransistor 181 auf. Der Feldeffekttransistor !81 führt zu einer noch größeren Eingangsimpedanz als sie durch lediglich den Verstärker 110 bedingt wird. Die weiteren elektronischen Bauelemente innerhalb des Dreiecks, das die Verstärkeranordnung 180 wiedergibt, sind vorgesehen zwecks Frequenzstabilisation und Verstärkungskompensation.

Die Diode 190 und die Zenerdiode 192 sind funktionell äquivalent der Zenerdiode 119; und die Diode 191 und die Zenerdiode 193 sind funktionell der Zenerdiode 118 äquivalent. Diese funktioneilen Äquivalente ergeben eine größere nichtleitende Impedanz als die mit lediglich den Zenerdioden 118 und 119. Der Strom wird von dem Anschluß 196 durch den Widerstand 194, Zenerdioden 192 und 193 und Widerstand 195 dem negativen Anschluß 197 zugeführt Die Zenerdioden 192 und 193 werden kontinuierlich in einem Zener-Durchbruchszustand gehalten.

Wenn der Verstärkerausgang 115 gleich Null-Volt ist, sind beide Dioden 190 und 191 in Sperrichtung betrieben und jede derselben durch eine Spannung, die gleich der Zenerspannung der entsprechenden Zenerdioden 192 und 193 ist Wenn der Verstärkerausgang 115 von null Volt abweicht, z. B. eine negative Spannung vorliegt, wird die Spannung an der Verbindung der Diode 190, Zenerdiode 192 und Widerstand 194 ebenfalls abnehmen, wodurch sich ein Stromweg von dem Kondensator 117 durch die Diode 190 und Zenerdiode 192 in den Verstärker UO zur Erdung ergibt. Wenn der Verstärkerausgang 115 positiv wird, bewegt sich in ähnlicher Weise die Spannung an der Verbindung der Diode 191, Zenerdiode 193 und Widerstand 195 in einer positiven Richtung, wodurch sich ein Stromweg von dieser Verbindung zu dem Kondensator 177 ergibt. Die Schaltung nach der Fi g. 4 stellt diejenige Ausführungsform dar, die insbesondere für das Anwenden in einem Impedanz-Pneumographen

ίο geeignet und ist somit bevorzugt.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform weist bei Anwenden im Zusammenhang mit einem Impedanz-Pneumographen die folgenden Bauelemente und deren entsprechende Werte auf:

Kondensatoren

117	^F	+ 15V
187	0,47 μΡ	-15V
188	0.300 dF	+ 15V
189	100 pF	-15V
Widerstände
182	20 ΚΩ
183	2ΚΩ
184	2ΚΩ
185	470 ΚΩ
186	1,5 ΚΩ
194	20 ΚΩ
195	20 ΚΩ
Dioden
190	FD333
191	IN5231A
192	FD333
193	IN5231A
Transistor
181	2N4302
Verstärker
110	MC1437
Spannungen (Gleichstrom)
196
197
198
199

(wobei pF= Picofarad ist)

F i g. 5 ist eine graphische Darstellung der Eingangsund Ausgangswellenformen für einen Schmitt-Triggerkreis. Die Wellenform A ist ein Eingangssignal, wo dem Schmitt-Triggerkreis eine Hysteresisspannung zugeführt wird, wie es sich durch die Differenz zwischen den Spannungen Vi und V2 ergibt Die Wellenform B zeigt das von dem Schmitt-Triggerkreis abgegebene Signal als positiv, wenn das zugeführte Signal oder Eingangssignal gleich der Spannung Vi und zunehmend positiv ist und als null, wenn das Eingangssignal und zugefflhrte Signal gleich V2 ist und nach negativ hin geht Bei der Wellenform A sieht man bezüglich des Punktes 200, der dem Ende des Ein- oder Ausatmens des atmenden Menschen entspricht, daß die Atmungsinfonnation durch das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers nicht festgestellt wird, und die Neigungsänderung des Signals tritt im Inneren des Hysteresisbereiches auf, wie es durch die Spannungen Vi und V2 definiert wird.

Unter Bezugnahme auf die Wellenform C — das von dem Schmitt-Trigger abgegebene Signal nachdem dessen Eingangssignal in erfindungsgemäßer Weise

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verarbeitet worden ist — sieht man, daß der Punkt 200 festgestellt wird. Hierdurch ergibt sich ein Atmungs-Wertmesser 27 mit genauerer Anzeige der Atmungsfrequenz der atmenden Person.

Zusammenfassend ergibt sich bezüglich des Betriebes, daß jedes Eingangssignal, dessen Amplitude als eine Funktion der Zeil zunimmt oder abnimmt eine endliche Neigung aufweist. Der durch einen Kondensator hindurchtretencCä Strom läßt sich vermittels der bekannten Gleichung

i =

(I)

ausdrücken, wobei /' der Strom, C die Kapazität und dv/dt die Veränderung der Spannungsamplitude bezüglich einer zeitlichen Veränderung oder der Neigung des Eingangssignals ist. Somit wird eine positive und negative Neigung zu einem positiven oder negativen Strom durch den Kondensator führen und die

3irürngi

suc uailgi VCiI uCT

durch den sinusförmigen Gipfel hindurchgetreten ist und der Strom fließt sodann nicht mehr in den invertierenden Eingang des Verstärkers. Derselbe fließt von dem invertierenden Eingang des Verstärkers in den "» Kondensator und führt dazu, daß der Verstärkerausgang nach positiv geht. Daher wird ein Hinweis auf die Veränderung der Neigungspolarität durch den Übergang des Ausgangs des Verstärkers von - Vz' zu + Vz' dann gegeben, wenn das Eingangssignal durch einen

ίο positiven Gipfel hindurchtritt und in ähnlicher Weise ergibt sich eine Anzeige von + Vz'zu - Vz', sobald der Ausgang durch einen negativen Gipfel hindurchtritt.

Der Kondensator kann nicht entladen, wenn der Verstärkerausgang null ist oder wenn die Zenerdioden

π sich nicht in einem Abbruchsgebiet befinden, und zwar weil die dem Kondensator während dieses Zustandes des Verstärkers angebotene Ausgangsimpedanz sich auf mehrere Hundert ΜΩ beläuft. Der Kondensator kann nur entladen werden, wenn die folgenden zwei

au ümiC"

der

Voraussetzung, daß der Summierungspunkt an einer virtuellen Erdung liegt.

Der Verstärker verstärkt das dessen invertierenden Eingang angebotene Eingangssignal. Der Ausgang des Verstärkers geht nach negativ, wenn der Eingang nach positiv geht und umgekehrt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung jedoch kann der Verstärkerausgang sich nicht von dem Verstärkereingang um eine Spannung unterscheiden, die über angenähert der Rückkopplungszenerspannung liegt, da die Zenerdioden zwischen dem to Eingang und dem Ausgang angeordnet sind.

Wenn somit das zu dem Kondensator gehende Eingangssignal zunehmend positiv ist, wird der Verstärkerausgang sich normalerweise bei — Vz befinden, wobei Vz die Zenerspannung ist. Der Eingangsstrom J5 von dem Kondensator wird über die leitende Zenerdiode von dem Einlaß zu dem Auslaß nebengeschlossen. Es ist ein sehr kleiner, jedoch endlicher Strom in den invertierenden Eingang des Verstärkers erforderlich, um den Zustand des Verstärkers aufrechtzuerhalten und wird natürlich von dem Kondensator zugeführt.

Es sei nun der Zustand betrachtet, daß das Eingangssignal aufhört iii positiver Richtung zuzunehmen. Anhand der Gleichung (1) ergibt sich, daß dann, wenn die Eingangsspannung aufhört mit der Zeit zuzunehmen, gilt dv/dt =0. Daher ist der durch den Kondensator hindurchgehende Strom null und der in den Verstärkereingang tretende Strom und der nebengeschlossene Strom durch die im Abbruchszustand vorliegende Zenerdiode ist null. Zu diesem Zeitpunkt läuft der Verstärkerausgang von der negativen Spannung zu null, wodurch sich ein Hinweis der Veränderung der Neigungspolarität an eine entsprechende Überwachungsanordnung ergibt

Wenn die Eingangsspannung sich nicht von dem Wert aus verändert, bei dem dieselbe angehalten wird, verbleibt der Ausgang des Verstärkers angenähert bei null. Wenn die Eingangsspannung entweder zu- oder abnimmt, nachdem dieselbe eine endliche Zeitspanne lang unbeweglich verblieben ist, wird der Verstärkerausgang nach negativ oder positiv gehen.

Wenn der Eingang nicht bei einer positiven Spannung zur Ruhe kommt, z. B. an dem Gipfel einer sinusförmigen Eingangsweüenfonn, würde der Verstärkerausgang nicht bei null angehalten werden, derselbe würde sich vielmehr von — Vz? durch null zu + Vz⁷ bewegt haben. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Neigung in der Gleichung (1) negativ ist, nachdem das Eingangssignal

η ι: __ ι: „ .

UCUIllgUllgClf VUI HCgCII.

eine Rückkopplungs-Zenerdiode befindet sich in einem Durchbruchsgebiet niedriger Impedanz und die Amplitude des Eingangssignals bewegt sich in einer derartigen Richtung, daß sich keine Neigung für ein Vergrößern der Ladung an dem Kondensator ergibt. Sodann wird der Kondensator mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Amplitudenveränderung des Eingangssignals entladen. Es war oben von der Annahme ausgegangen worden, daß eine Nullquellenimpedanz für das Eingangssignal vorliegt, sowie ausreichendes Aussteuerungsvermögen für den Verstärker gegeben ist. Wenn eine endliche Impedanzquelle vorliegt, würde der Kondensator mit einer geringeren Geschwindigkeit als derjenigen der Signalzunahme und Abnahme entladen, und zwar aufgrund der Zeitkonstanten, die durch die Quellenimpedanz und die Kapazität bedingt wird. Bei einem Aussteuern bei einer geringen oder praktisch sofort an das Eingangssignal an.

Man sieht, daß die Veränderung der Neigungspolaritat oder Umkehr des Eingangssignals bei der erfindungsgemäßen Schaltung eintreten und festgestellt werden kann bei verschiedenen durchs, hnittlichen Werten sowohl positiver als auch negativer Werte, bei den verschiedenen Frequenzen und unterschiedlichen Werten des Gleichstromverlagerung ohne daß hierdurch der Anzeigemechanismus nachteilig beeinflußt wird. Die einzigen Einschränkungen, die bezüglich der erlaubten Parameterveränderungen des Eingangssignals vorliegen, sind diejenigen einschränkenden Bedingungen des eigentlichen Detektorkreises oder Schaltung, d.h. das Frequenzansprechen des Verstärkers, das Aussteuerungsvermögen des Verstärkers, die Abbruchsspannung des Kondensators, das Vermögen der Zenerdioden Strom zuführen usw.

Dort wo die Atmungsfrequenz überwacht werden soll, wird die Signalinformation durch einen Wandler gegeben, der an der atmenden Person befestigt ist und man kann eine Information bezüglich der Atmungsfrequenz aufgrund der Veränderungen der Neigungspolarität erhalten. Diese Veränderungen entsprechen dem Ende des Einatmens und des Ausatmens. Daher ist die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere anwendbar auf das Problem des Feststeilens und Anzeigens dieser Veränderungen:

Nach der bevorzugten erfindungsgemäßen Aushlhrungsform werden herkömmliche Dioden angewandt, die so angeordnet werden, daß dieselben als ^Zenerdioden arbeiten. Es erfolgt ein Einbau zwischen dem

Il 12

Ausging des Gleichstromverstärkers, der den Signal- Hysteresiseingangsspannung besitzt, wird jede Ntieingang zu der Ausführungsforih des Schmitt-Triggers gungsumkehr eines direkt von dem Gleichstromverstärspeist, die den Signalausgang von dieser Ausführungs- ker dem Schmitt-Trigger zugeführten Signals, die form empfängt und ergibt einen Hinweis auf die innerhalb dieses Hysteresisbandes eintritt, nicht festge-Neigungsumkehr. Der Schmitt-Trigger kann für Signal- ^r> stellt werden, wodurch sich ein Fehler bezüglich der Rechteckwellen vor der Verarbeitung des Signals in Atmungsfrequenz ergibt. Das Anwenden dos Detektors einem Atmungsfrequenzmesser angewandt werden. Da für das Feststellen der Veränderung der Neigungspolader Schmitt-Triggerkreis ein Todband bezüglich der rität verhindert das Auftreten dieses Fehlers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Neigungspolantlt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangs-Speicheranordnung (tt7) in Verbindung mit einem negativen Rückkopplungs-Verstärker (110) steht, der so angeordnet ist, daß derselbe eine hohe Eingangsimpedanz annimmt, wenn die Neigung des Eingangssignals praktisch null ist und eine niedrige Eingangsimpedanz annimmt, wenn die Neigung des Eingangssignals sich vor null unterscheidet, daß der negative Rückkopplungsverstärker (110) ein Signal (115) abgibt, das einen Hinweis auf die Veränderung der Neigungspolarität praktisch gleichzeitig mit der Veränderung der Eingangsimpedanz zwischen hohen und niedrigen Werten aufweist
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspeicherenordnung(117) ein Kondensator ist
3, SchaÄiangsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (110) eine Ausgangsanordnung und invertierende oder nicht invertierende Eingangsanordnung besitzt der Kondensator (117) so angeordnet ist, daß das Eingangssignal der invertierenden Eingangsanordnung zugeführt wird, die nicht invertierende Eingangsanordnung leitend in Verbindung mit dem Bezugspotential steht der Verstärker (110) eine Rückkopplungsanordnung (118, 119) aufweist die zwischen die Ausgangsanordnung und die invertierende Eingangsanordnung geschaltet ist die Rückkopplungsanordnung (118, i/9) so angeordnet ist daß als Funktion des Ausgangssignals hohe und niedrige Impedanzwerte angenommen werden.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die folgenden Bauelemente in der angegebenen Schaltungsweise vorliegen:

a) einen Kondensator (117) dergestalt daß das Eingangssignal und der negative Rückkopplungsverstärker (110) aneinander gekoppelt sind;

b) der Verstärker (110) eine Ausgangsanordnung, invertierende Eingangsanordnung und nicht invertierende Eingangsanordnung aufweist die invertierende Eingangsanordnung mit dem Kondensator (110) zusaminengeschaltet ist die nicht invertierende Eingangsanordnung in Verbindung mit dem Bezugspotential steht und

c) eine Rückkopplungsanordnung (118, 119) zwischen der Ausgangsanordnung und der invertierenden Eingangsanordnung geschaltet ist die Rückkopplungsanordnung (118, 119) so angeordnet ist daß deren Impedanz erheblich verändert wird als eine Funktion der leitenden Wechselwirkung zwischen dem Eingangssignal und dem Kondensator (117) sobald sich die Neigungspolarität des Eingangssignals verändert der Verstärker (IfO) ein Ausgangssignal abgibt, das einen Hinweis auf die Veränderung der Neigungspolarität praktisch gleichzeitig mit der Impedanzveränderung der Rückkopplungsanordnung (118,119) aufweist.

Auf dem Gebiet der Verarbeitung elektronischer Signale kann man verschiedene Arten an Schaltungsanordnungen for das Ausführen zahlreicher Funktionen anwende^ So gibt es z, B, Scheltungsanordnungen, die Funktionen der Differentiation, der Integration, des Vergleiches, des SchwelJenwertfeststellens, des Spttzenfeststellens, der Probennahme, de»* Verstärkerung, der Schwächung usw, ausführen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung übt die Funktion des Feststeilens und Anzeigens der Veränderung der Neigungjpolarität eines Eingangssignals aus.

Ein elektronisches Signal, dessen Amplitude proportional einer physikalischen Größe ist, stellt das Analoge dieser Größe dar. So ist z. B. ein elektrisches Signal, das der Atmungsfrequenz eines Menschen entspricht, ein Analoges dieser Atmungsfrequenz. Die Information bezüglich der Atmungsfrequenz kann anhand der Gipfel und Taler eines derartigen Signals erhalten werden. Diese Information kann bei Feststellen dieser Gipfel

und Täler vermittels Oberwachen entnommen werden.

Ein Verfahren zum Messen der Periode eines Signals würde in dem Anwenden einer Vorrichtung bestehen, die als Schwellenwert-Detektor bezeichnet wird. Für einen konstanten Wert der Schwellenwertspannung wird diese Schaltungsanordnung zu einer Ausgangsleistung jeweils dann führen, wenn das Signal über den Schwellenwert hinausgeht Wenn die gewünschte Information keine Spitzenamplitude sondern die eine Spitze approximierende Zeit ist ist der Schwellenwert-

Detektor nicht sehr zweckmäßig. Derselbe kann oder

kann nicht eine Ausgangsleistung für diese Stelle der

Zeit ergeben, wenn sich das Signal benachbart zu dessen

Spitze befindet

Wenn man die genaue Stelle der Zeit feststellen will,

wo eine Spitze oder Gipfel bzw. Tal eintritt kann man eine Differentiation ausführen, um so festzustellen, wann sich die Neigung des Signals auf null beläuft und um zu diesem Zeitpunkt eine Ausgangsleistung auszubilden. Dies würde zu einer Ausgangsleistung führen, die mit der Spitze oder Gipfel b,~w. Tal des Signals zusammenfällt

Bestimmte dieser oben angegebenen Schaltungsanordnungen besitzen jedoch Nachteile, z. B. kann die obige Schaltung empfindlich gegenüber Veränderungen der Amplitude, Frequenz und Verlagerungswert des Eingangssignals sein. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist keinen dieser Nachteile auf. Die Schaltungsanordnung führt zu ausgeprägten und genauen Anzeigen des Auftretens einer Spitze oder

so Gipfels bzw. Tals eines Eingangssignals und ergibt somit eine genaue periodische Information.

Der Erfindungsgegenstand ist praktisch auf jedem Gebiet der Signalverarbeitung anwendbar, wo angestrebt wird die Signalperiode oder das Auftreten von Signalgipfeln oder Tälern festzustellen. Ein Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist z.B. ein Impedanz-Pneumograph, der die Atmung eines Menschen überwacht vermittels Feststellen der Veränderung der elektrischen Impedanz im

Thorax eines Menschen bedingt durch die Atmung.

Bezüglich einer Signalverarbeitung bei einem Impedanz-Pneumographen wird das Atmungsanalog-Ausgangssignal von einem Gleichstromverstärker in einen Schmitt-Trigger eingeführt. Ein Schmitt-Trigger ist eine Vorrichtung, die eine Rechteckwellen-Funktion erzeugt und eine Hysteresis zwischen Eingangs-Trigger und Ausgangssignal aufweist Ein Eingangssignal bedingt bei dem Schmitt-Trigger ein positives Ausgangssignal für