DE2113236C3 - Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Neigungspolarität - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Ermitteln der NeigungspolaritätInfo
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Description
die Spannung Vl oder größer und führt dazu, daß der Schmitt-Trigger ein Null-Ausgangssignal für die Spannung
V2 oder kleiner aufweist, wo V2 kleiner als V1
um eine endliche Spannung ist. Wenn z. B. das Eingangssignal des Schmitt-Triggers Gipfel oder Täler
aufweist, die nicht außerhalb des Hysteresisbereiches fallen, werden diese Gipfel und Täler innerhalb des
Hysteresisberfiches nicht festgestellt werden, so daß
sich Ungenauigkeiten bezüglich der Atmungsfrequenz ergeben. Das Anwenden der erfindungsgemäßen iu
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 2»
gelöst, daß eine Eingangs-Speicheranordnuag in Verbindung
mit einem negativen Rückkopplungs-Verstärker 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 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 Werten aufweist.
Der Ausdruck »Veränderung der Neigungspolarität« soll eine Veränderung der Neigung von positiv zu
negativ, von negativ zu positiv, von positiv zu null, von js
null zu positiv, von negativ zu pull und von null zu
negativ bedeuten. Die Schaltungsanordnung weist einen eine hohe Verstärkung ergebenden Verstärker mit
hoher Einjangsimpedanz 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 Rüekkopplungidioden
sind zwischen dem Verstärkerausgang v>
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 erläuteinden speziellen Impedanz-Pneumographen ■-,»
wird die Schaltungsanordnung zwischen einem Gleichstromverstärker niedriger Impedanz, der das Eingangssignal
für die Schaltungsanordnung erzeugt, sowie einem Schmitt-Trigger angeordnet, an den der Ausgang
geführt ist. Wenn auch die Schaltungsanordnung nicht γ-,
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
Fig. 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Verstärkerschaltungstnordnung;
Fig.2 ein teilschematisches Teilblockdiagramm des
Erfindungsgegenstandes.
Fig.3 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals
der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung im Vergleich im richtigen Zeitverhültnis: mit dem
Eingangssignal des Schaltungsanordnung;
Fig.4 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform,
wie sie insbesondere bei dem Impedanz-Pneumographen zweckmäßig ist;
F i g. 5 eine graphische Darstellung der Wellenformen verglichen im richtig seitlich abgestimmten Verhältnis
und zeigt das Schmitt-Trigger Ausgangssignal, das sich aufgrund eines gegebenen Eingangssignals einmal bei
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 111 und Rückkopplungsimpedanz 112. Der Knoten 114 wird als »Summierungspunkt«
bezeichnet, der Anschluß 116 ist der Einlaß und der
Anschluß 115 ist der Auslaß. Die R";ckkopplungsimpedanz
112 ist zwischen dem Ausi^ß 115 und dem
Summierungspunkt 114 angeschlossen, 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 116 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 rückfü^rungslose
Verstärkung, und dies ist die Verstärkungvon der Impedanz 112 entfernt ist (geschlossener
Verstärkerkreislauf ist gleich der Impedanz 112/Impedanz
111). Der Stromfluß in oder aus den invertierenden
( —) und nicht invertierenden ( + ) Eingdngsanschlüssen
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 Erdu" g oder
dem gemeinsamen Potential 113 liegen. Erfindungsgemäß werden diese typischen Charakteristika angewandt.
Fig.2 ist ein schematisches Diagramm des Erfindungsgegenstandes.
Das Eingangssignal der Schaltung tritt an dem Leiter 116 ausgehend von einsr Quelle 120
niedriger impedanz auf. Das Eingangssignal wird kapazitiv über den Kondensator 117 entsprechend der
Eingangsimpedanz 111 nach der Fig. 1 an dem Summierungspunl.t 114 des Verstärkers 110 angekoppelt.
Der Verstärkerausgang 115 steht in Verbindung mit dem Summierungspunkt 114 über die Zenerdioden
118 und 119, und dies entsprechend der Riickkopplungsimpedanzll2nachderFig.
!.DieZenerdiode 118leitet
bei deren Zenerspannung, sobald die Spannung des Verstärkerausgangi 115 positiver als die Spannung an
der Summierungsverbindung 114 um einen Betrag ist, der gleich der Zenerspannung Vz der Zenerdiode 118
ist.
Bezüglich des Anwendens der Zenerdioden 118 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 I !9 sind so ausgewählt, daß 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 ±(V/. + 0,5)
belaufen und dies wird hier als ± Vi bezeichnet.
Wenn z. B. ein Stromfluß von dem Ausgang 115 zu
derr^ 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 — z-cnci Spdtltlüllg — Vein Vz. DiC SütiiiuC UZT Ζ»μπΤιΓίίΐπ£€Π
an beiden Dioden ist hier als + Vi 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 - Vi ergibt.
Der nichtinvertierende Eingang ( + ) steht in Verbindung mit der Erde oder der gemeinsamen Leitung 113.
Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Fig. I erläutert, 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
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 pos^.iv vergrößernden Signal zunächst
durch den Kondensator 117 entgegenwirkende Impedanz ist klein im Vergleich zu der Impedanz, die dem
Signal durch die Eingangsimpedanz des Verstärkers 110 entgegenwirkt, wenn die Zenerdioden 118 und 119 nicht
leitend sind. Daher wird das Eingangssignal zunächst an dem Summierungspunkt 114 »gefühlt«, wodurch der
Verstärker 110 an der Stelle 115 ein Ausgangssignal abgibt, das gleich dem fnversen des Eingangssignals
multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist. Sobald das Ausgangssignal den Wert — Vz'
erreicht, leitet die Zenerdiode 119 in 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.
i> Wenn das Eingangssignal 116 aufhört zuzunehmen
und beginnt abzunehmen, und zwar so, als ob dasselbe durch den positiven Gipfel einer Sinuswelle hindurchge-
^dMgCM 131, (.IgIUl
Stromfluß beschreibenden Gleichung
/ ΠιΙι- ti/).
/ ΠιΙι- ti/).
daß wenn dv/dt = 0 dann /=0 gilt. Der durch den
Kondensator 117 hindurchgehende Strom 121 ist gleich
null, wenn das Eingangssignal sich auf dem Gipfel der Sinuskurve befindet. Da der Verstärker 110 einen
kleinen aber endlichen Eingangsstrom in seinen invertierenden Eingang (-) an dem Summierungspunkt
114 erfordert um den Verstärker 110 in einen »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'über Ozu plus Vz'.
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 Gipfel befindet, ist die gesehene Impedanz ein Kondensator in Serie mit einem sehr großen Widerstand,
und der Widerstand 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
118 und 119 bedingt wird. Deshalb kann si..', die
Spannung an dem Kondensator 117 nicht sofort mit 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 110 diese negative Eingangsspannung an dem Summierungspunkt 114. Der Ausgang
• 115 des Verstärkers 110 wird sodann positiv und wird zu
dieser Zeit durch die in Zener-Art leitende Zenerdiode
119 bei plus Vz' festgelegt. Es ergibt sich somit, daß bei
Bewegen eines Eingangssignals an dem Leiter 116 durch einen positiven Gipfel oder Veränderung der Neigungs-
Polarität, der Ausgang 115 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
zunäctivt 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 Füll ist. Der Ausgang 115 verändert sich
von positiv Vz' zu negativ Vy' bezüglich dieser Polaritätsveränderung des Eingangssignals.
Die F i g. 3 stell! graphisch zwei Wcllcnformcn im
Vergleich bezüglich des richtigen Zeitverhältnisses dar, wobei die obere Wellenform das Eingangssignal an dem
Leiter 116 bei dem Erfindungsgegenstand und die untere Wellenform den Verstärkerausgang 115 nach
dem Erfindungsgegenstand wiedergibt. Der Verstärkerausgang verändert seinen Zustand von + Vz' zu — Vz'
oder umgekehrt für jede Umkehr der Neigungspolarität des Eingangssignals. So verändert sich z. B. an der Stelle
172 bezüglich der Eingangssignalwellenform der Verstärkerausgang von + Kz'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
Versiärkerausgang von — Vz'zu + Vz'oder umgekehrt
mit einer 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
Impedanz-Pneumographen. Die Verstärkeranordnung 180 weist einen Verstärker 110 mit einem Feldeffekt-
uaiiaisiiM ιοί uui. Lfci rciuci iciviii aimMul ίοί ium ι ^u
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 funktionellen 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 110 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 F i g. 4 stellt diejenige Ausführungsform dar, die insbesondere
für das Anwenden in einem Impedanz-Pneumographen 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 | 1 μΓ |
117 | η J ■» . . Γ"1 \j,ff μι |
ισ/ | 0,300 ρ F |
188 | 10OpF |
189 | |
Widerstände | 20 ΚΩ |
182 | 2 ΚΩ |
183 | 2 ΚΩ |
184 | 470 ΚΩ |
185 | 1,5 ΚΩ |
186 | 20 ΚΩ |
194 | 20 ΚΩ |
195 | |
Dioden | FD333 |
190 | 1Ν5231Α |
191 | FD333 |
192 | 1Ν5231Α |
193 | |
Transistor | 2Ν4302 |
181 | |
Verstärker | MC1437 |
110 | cicJ-iiü-oiv/ |
οραι Ii lui iget ι ^vJ ν | + 15V |
1% | -15V |
197 | + 15V |
198 | -15V |
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 Vl 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 Vl und zunehmend positiv ist und als null, wenn das Eingangssignal und zugeführte
Signa! 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 Atmungsinformation
durch das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers nicht festgestellt wird, und die Neigungsänderung des Signals
tritt im Inneren des Hvsteresisbereiches auf wie es
b5 durch die Spannungen Vl und V2 definiert wird.
Unter Bezugnahme auf die Wellenform C — das von dem Schmitt-Trigger abgegebene Signal nachdem
dessen Eingangssignal in erfindungsgemäßer Weise
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 Zeit zunimmt oder abnimmt eine endliche
Neigung aufweist. Der durch einen Kondensator hindurchtretende Strom läßt sich vermittels der
bekannten Gleichung
CIiIr il/l
ID
ausdrucken, wobei / der Strom, C die Kapazität und
dv/dl 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
Stromgröße hängt von der Neigiingsgröße ab unter 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 erfindiingsgemäßen
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
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
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 ucr Λ-uMaiiu ucuaciiLci, uau uua
Eingangssignal aufhört in 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
Eingangswellenform, würde der Verstärkerausfjang
nicht bei nuii angehalten werden, derselbe würde sich vielmehr von - Vz' durch null zu + Vz' bewegt haben.
Der Grund hierfür besteht darin, daß die Neigung in der Gleichung (1) negativ ist, nachdem das Eingangssignal
durch den sinui.'örmigen 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
positiven Gipfel hindurchtritt und in ähnlicher V/eise ergibt sich eine Anzeige von + V/'zu — Vz', sobald der
Ausgang durch einen negativen Gipfel hindurchtritt.
Der Kondensator kann nicht entladen, wenn der Verstärkeratisgang null ist oder wenn die Zenerdioden
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 Bedingungen vorliegen:
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 Amplitudenveränderiing 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 Neigungspolarität oder Umkehr des Eingangssignals bei der erfindungsgemäßen
Schaltung eintreten und (estgestellt
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 Feststellen und Anzeigens dieser Veränderungen.
Nach der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden herkömmliche Dioden angewandt,
die so angeordnet werden, daß dieselben als Zenerdioden arbeiten. Es erfolgt ein Einbau zwischen dem
Ausgang des Gleichstromverstärkers, der den Signaleingang zu der Ausführungsform des Schmitt-Triggers
speist, die den Signalausgang von dieser Ausführungsform
empfängt und ergibt einen Hinweis auf die Neigungsumkehr. Der Schmitt-Trigger kann für Signal-Rechteckwellen
vor der Verarbeitung des Signals in einem Atmungsfrequenzmesser angewandt werden. Da
der Schmitt-Triggerkreis ein Todband bezüglich der
Hysteresiseingangsspannung besitzt, wird jede Neigungsumkehr eines direkt von dem Gleichstromverstärker
dem Schmitt-Trigger zugeführten Signals, die innerhalb dieses Hysteresisbandes eintritt, nicht festge-
-, stellt werden, wodurch sich ein Fehler Lezüglich der
Atmungsfrequenz ergibt. Das Anwenden des Detektors für das Feststellen der Veränderung der Neigungspolarität
verhindert das Auftreten dieses Fehlers.
Hierzu 2 Blntt Zeichnungen
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Neigungspolarität,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangs-Speicheranordnung (117) 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 ι ο ist und eine niedrige Eingangsimpedanz annimmt,
wenn die Neigung des Eingangssignais sich von 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. Schaltuii^sanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Eingangsspeicheranordnung(117)ein
Kondensator ist
3. Schaltungsanordnung 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
Bezugspotenfial steht, der Verstärker (110) eine jo Rückkopplungsanordnung (118, 119) aufweist, die
zwischen die Ausgangsanordnung und die invertierende Eingangsanordnung geschaltet ist, die Rückkopplungsanordnung
(118, 119) jo angeordnet ist, daß als Funktion des Ausgangssignals hohe und π
niedrige Impedanzwerte angenommen werden.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
folgenden Bauelemente in der angegebenen Schaltungsweise vorliegen: 4(1
a) einen Kondensator (117) dergestalt, daß das Eingangssignal und der negative Rückkopplungsverstärker
(110) aneinander gekoppelt S'nd;
b) der Verstärker (110) eine Ausgangsanordnung, r,
invertierende Eingangsanordnung und nicht invertierende Eingangsanordnung aufweist, die
invertierende Eingangsanordnung mit dem Kondensator (110) zusammengeschaltet ist, die
nicht invertierende Eingangsanordnung in Ver- vi bindung mit dem Bezugspotential steht und
c) eine Rückkopplungsanordnung (118, 119) zwischen der Ausgangsanordnung und der invertierenden
Eingangsanordnung geschaltet ist, die Rückkopplungsanordnung (118, 119) so an- v>
geordnet 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 verän- m> dert, der Verstärker (HO) ein Ausgangssignal
abgibt, das einen Hinweis auf die Veränderung der Neigungspolarität praktisch gleichzeitig mit
der Impedanzveränderung der Rückkopplungsanordnung (118, J19) aufweist, hi
Auf dem Gebiet der Verarbeitung elektronischer Signale kann man verschiedene Arten an Schaltungsanordnungen
für das Ausführen zahlreicher Funktionen anwenden. So gibt es z. B. Schaltungsanordnungen, die
Funktionen der Differentiation, der Integration, des Vergleiches, des Schwellenwertfeststellens, des Spitzenfeststellens,
der Probennahme, der Verstärkerung, der Schwächung usw. ausführen. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung übt die Funktion des Feststeilens und Anzeigens der Veränderung der Neigungspolarität
eines Eingangssignals aus.
Ein elektronisches Signal, dessen Amplitude proportional einer physikalischen Größe ist, stellt das Analoge
uieser 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 dtr Gipfel und Täler 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 bzw. 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
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
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