DE2143971B2 - Spitzenwert-Detektorschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spitzenwert-Detektorschaltung zum Erzeugen impulsförmiger Signale beim Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte einer Polarität in einer Signalfolge, mit einem Gleichrichter, einem über diesen geladenen Speicherelement, einem Ladestromrichtungs-Diskriminator, einer Entladeschaltung für das Speicherelement und einem Ausgangsimpulsformer. Eine derartige Detektorschaltung ist bekannt aus der US-PS 35 41 457.

Spitzenwert-Detektorschaltungen dieser An dienen dazu, die Zeitpunkte genau zu bestimmen, zu denen Spitzenwerte einer vorgegebenen Polarität oder beider Polaritäten in Signaifolgen auftreten, in denen die Extremwerte, deren zeitlicher Abstand und die Kurvenform der Signale veränderlich sein können.

so Ein spezielles Problem beim Einsatz der genannten Spitzenwert-Detektorschaltungen für den genannten Zweck besteht darin, daß die Signalfolgen zwischen den zeitlich zu fixierenden Extremwerten häufig relative Maxima und Minima bzw. Zwischenexiremwerte aufweisen, welche die unerwünschte Abgabe von Triggerimpulsen durch die Detektorschaltungen hervorrufen können. Insbesondere tritt dieses Problem bei der Ermittlung der fötalen HerzschLgfrequenz aus Signalen mit den vorgenannten Unregelmäßigkeiten auf,

wie sie bei der Auswertung der Hüllkurven von Ultraschall-Signalen erhalten werden, bei denen der Abstand benachbarter Extremwerte ein MaO für die vcränd· Ί-che Periodendauer der Herztätigkeit ist.

Die Erfindung löst vor allem die Aufgabe, bei Spitzenwert-Detektorschaltungen der eingangs genannten Art die unerwünschte Abgabe von Ausgangssignalen auf Grund störender Zwischenextremwerte oder Signalspitzen weitgehend /ti vermeiden.

I>ie Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, daß abhängig von der Art der Signalquelle auch bei den genannten unregelmäßigen Signalverläufen in vielen Fällen bestimmte .Signaleigenschaften vorgegeben sind. Insbesondere bei der Messung der fötalen Hcrzschlagfrequenz aus amplitudenmodulierten Ultraschall-Signaien. bei denen der zeitliche Abstand der Extremwerte ein Maß für die Herzschlagperiode ist, kann von bestimmten Erfahrungswerten für den kleinsten und größten möglichen Abstand der Maxima, das Amplitudenverhältnis benachbarter Maximalwerte, bezogen auf deren zeitlichen Abstand, sowie das Amplituden verhältnis der insgesamt zu erwartenden größten und kleinsten Signalmaxima ausgegangen werden.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der angegebenen Gattung wird erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß eine Ver/ögerungsschaltung mit einer ersten Schalteinrichtung vorgesehen ist, diese Schalteinrichtung beim Auftreten eines Extremwertes der vorgegebenen Polarität bewirkt, daß die Verzögerungsschalüing anspricht und die Abgabe eines Impulses durch den Ausgangsimpulsformer während eines vorbestimmten Zeitintervalls verzögert und inich Ablauf dieses Zeitintervall einen Ausgangsimpuls durch den Ausgangsimpulsformer auslöst und ein Signal an eine /weite .Schalteinrichtung abgibt, die den Entladestromkreis schließt und die Entladung des Speicherelemciiis auf einen Wert bewirkt, der kleiner als der kleinste zu erwartende nachfolgende Extremwert der vorbestimmten Polarität ist und die Entladung innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die der Zeit zwisehen den am dichtesten aufeinanderfolgenden Extremwerten einer Polarität entspricht, falls nicht während des vorbestimmten Ver/ögerungs-Zeitintervalls ein weiterer Extremweri dieser Polarität bewirkt, daß die Abgabe eines für einen Extremwert signifikanten Ausgangsimpulses wiederum bis zum Ablauf eines weiteren vorbestimmten Verzögerungs-Zeitintervalls verhindert wird. Die Verzögerungsschaltung bewirkt zunächst eine Speicherung eines »vorläufigen« Maximalwertes.

Erst wenn die Zeitverzögerung abgelaufen ist, ohne daß ein größerer Extremwert zu einer weiteren Aufladung der Speichereinrichtung geführt hat, wird der »vorläufige« Extremwert als »richtig« erkannt, die Entladung der Speichereinrichtung ausgelöst und das verzögerte Signal zur Abgabe eines Impuises verarbeitet, der den Zeitpunkt des Extremwertes, um das eingestellte Zeitintervall verzögert, angibt. FjIIs jedoch während der Verzögerungszeit ein größerer Extremwert auftritt, beginnt die Verzögerungszeit wieder von neuem.

Die Dauer des Verzögerungszeitintervalls, i;i welchem ein:., weitere Aufladung der Speichereinrichtung bzw. ein neuer Extremwert als unerwünschter Zwischenwert erkannt und ein neues Verzögerungs-Zeitintervall abgewartet wird, ist kleiner als der untere Grenzwert der /u erwartenden Periodendauer der Signale und andererseits größer als die Zeitspanne zu wählen, welche erforderlich ist, damit der Detektor sich voll auf den jeweiligen Extremwert des Signals aufladen kann.

Gemäß einer bevorzugten Amfiihrungslorm der Erfindung kann vorgesehen werden, daß der Gleichrichter das Verhalten einer idealen Diode nachbildet und einen Verstärker, eine diesem nachgeschaltete Diode und einen sich über die Diode und den Verstärker erstreckenden Gegenkopplungszweig aufweist, der einen weiteren Verstärker mit hohem Eingangswiderstand aufweist und die Entladung des Speicherelement im gesperrten Zustand der Diode verhindert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Aiislührungs- j° form der Erfindung kann der Beginn der Vrr/.ögerungszeit nach Maßgabe des Null-Durchgangs des Ladestroms der Speichereinrichtung festgestellt werden, indem zwischen das Speicherelement und die erste Schalteinrichtung ein Ladestrom-Diskrinimator geschalte! ist, der einen Verstärker mit je einem gejiensinnig gepolten nichtlinearen Schaltelement aufweist, dessen Ruhestrom dem Ladestrom entgegengesetzt ist und welcher Ausgangssignale abgibt, deren einer Null-Durchgang dem Zeitpunkt der Umkehr der Stromriehlung im Gegenkopplungszweig und damit dem Erlöschen des Ladestroms entspricht und die erste Schalteinrichtung betätigt. Wenn der Ladestrom des Kondensators entgegengesetzt gleich dem Ruhestrom des Verstärkers wird, ändert sich die Polarität von dessen Ausgangsspannung. Der Null-Durchgang der Ausgangsspunnung ist gegenüber dem Zeitpunkt des Erlöschens des Ladestroms nur durch die Größe des Ruhestroms verschoben und ermöglicht damit eine wesentlich genauere zeitliche Fixierung des Extremwertes als sie ohne die Polaritätsumkehr möglich wäre.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert.

Die Schaltungsanordnung besteht aus der Reihenschaltung einer Schallung zur Nachbildung einer idealon Diode 1. einer Speichereinrichtung 2, eines Lr.destromriehlungs-Diskriminators 3, einer Verzögerungsschaltung 4 und eines elektronischen Schalters 5, welcher im Entladekreis der Speichereinrichtung 2 liegt. Außerdem ist die Verzögerungsschaltung mit einem Impulsformer in Form eines Differenziergliedes 6 verbunden. Die vorgenannten Schaltiingskomponenten sind im einzelnen folgendermaßen aufgebaut:

Die Diodenschaltung weist einen mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 41 verbundenen Widerstand Ri, eine mil dem Operationsverstärker verbundene Diode Di und einen sich über die Diode und den Operationsverstärker erstreckenden Gegenkopplungszweig auf. Dieser besteht aus einem als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker .42, der über einen Widerstand Kl mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A\ verbunden ist.

Die Speichereinrichtung besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes Ri und eines Kondensators Ci. Der Widerstand /23 ist gleichzeitig mit der Anode der Diode Dl und dem einen Ende eines Entladewiderstandes /?4 verbunden. Das ireie Ende des Kondensators O ist mit dem Ladestrom-Diskriminator verbunden.

Der Ladestrom-Diskriminator weist einen Operationsverstärker Ai auf, dessen Gegenkopplungszweig aus zwei gegensinnig geschalteten, parallel liegenden Dioden besteht. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ,43 ist ebenso wie derjenige des Operationsverstärkers Ai mit Masse verbunden.

Der Verzögerungsschaltkreis 4 besteht im wesentlichen aus einem Transistorschalter, einem V?C-Glied und einem nachgeschaiielen Komparator.

Der Transistorschalter weist einen Transistor Tl auf, dessen Emitter auf Masse liegt, dessen Basis über eine Diode D4 mit einem Ausgang des Operationsverstärkers Ai und über einen Widerstand R5 mit dem Potential - 12V verbunden ist.

Das /?C-Glied besteht aus der Parallelschaltung eines Widerstandes R6 und eines Kondensators C2, wobei der eine Verbindungspunkl beider Elemente einerseits mit dem Kollektor des Transistors 71 und andererseits mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 44 des Komparators verbunden ist. Das andere Ende beider Elemente liegt auf dem Potential — 12V.

Der Komparator weist den Operationsverstärker A4 auf. dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand Rb mit dem Potential -12V und über einen Widerstand Rl mit Masse verbunden ist.

Der elektronische Schalter 5 weist einen Feldeffekt-Transistor 72, dessen Source Elektrode auf Masse liegt und dessen Gate-Elektrode einerseits über einen Widerstand R9 mit Masse verbunden ist und andererseits über eine Diode D5 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A4 des Komparators verbunden ist. Die Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 72 ist über den Entladewiderstand R4 mit dem Eingang der Speicherschaltung bzw. dem Widerstand Ri verbunden.

Das ausgangsseitige Differen/ierglied besteht aus einem Kondensator Ci. der mit der Parallelschaltung einer Diode Dd und eines Widerstandes RiO in Reihe geschaltet ist. Die Verbindung zwischen Kondensator Ci und Widerstand /?9 bildet den Ausgang der Schaltung, während die Diode Df) und djr Widerstand RiO mit dem anderen Ende aul Masse liegen.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Es wird davon ausgegangen, daß am Eingang der Diodenschaltung, d.h. am Widerstand Ri ein bezüglich der Kurvenform und Amplitude veränderliches Signal aultritt, bei dem beispielsweise die Zeitpunkte der negativen Maxima genau bestimmt werden sollen. Während der negativen Halbwelle des Eingangssignals ist die Diode Di leitend, und der Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers bewirkt, daß an der Kathode dieser Diode eine Spannung entsteht, welche gemäß der Bemessung der Widerstände Ri und R2 der Eingangsspannung entspricht und gegenüber dieser um 180° phasenverdreht ist. Demgegenüber sperrt die Diode Di bei einem positiven Ein-

gangssignal, so dad der Gegenkopplungs/wcig unterbrochen wird, der Verstärker die negative Sättigungsspannung abgibt und die Kathode der Diode Dl auf dem vorher erreichten Potential verbleibt.

Während die Diode Dl leitend ist. wird der Kondensator Cl aufgeladen, und der Ladestrom über die Diode D3 bewirkt eine Rückkopplung des Operationsverstärkers A3 und erzeugt an dessen Ausgang eine negative Spannung. Beim Erreichen eines Maximalwertes des Eingangssignal wird der Ladestrom des Kondensators CI kleiner als der Ruhestrom des Operationsverstärkers A3, und der bisher durch den Ladestrom gelieferte Ruhestrom des Operationsverstärkers wird nunmehr über die Diode D2 geliefert. Dies bewirkt eine Polaritätsumkehr der Ausgangsspannung beim Erlöschen des Ladestroms, so daß der Operationsverstärker A3 als Ladestrom-Diskriminator wirkt. Die Änderung der Stromrichtung im Rückkoppliingszweig des Diskriminator erfolgt geringfügig früher als das tatsächliche Erreichen des Signalmaximums, bedingt durch den kleinen Ruhestrom des Verstärkers A3. Da dies jedoch nur eine vernachlässigbare Zeitverschiebung bewirkt, kann der Zeitpunkt des Nulldurchgangs von negativen zu positiven Ausgangsspannungen als Zeitpunkt für das Auftreten eines Signalmaximums gewertet werden.

Solange das Eingangssignal zunimmt und dadurch der Speicherkondensator Cl aufgeladen wird, befindet sich der Ausgang des Verstärkers A3 auf negativem Potential, so daß die Diode D4 sperrt, der Transistor 7Ί leitet und der Kondensator Cl der Verzögerungsschaltung aufgeladen wird Sobald sich jedoch die Polarität der Ausgangsspannung des Verstärkers A3 umkehrt, wird die Diode D4 leitend, und der Transistor 7Ί wird gesperrt. Dadurch entlädt sich der Kondensator CZ über den Widerstand R6 gemäß einer Exponentialfunktion mit einer durch den Widerstand Rf> und den Kondensator CZ bestimmten Zeitkonstanten.

Der Operationsverstärker A4 wirkt als Komparator und weist hierzu an seinem nichtinvertiercnden Eingang einen Spannungsteiler auf, der ein Referenzpotential abgibt. Sobald nun die Spannung am Kondensator Cl diese Referenzspannung unterschreitet, schaltet die Ausgangsspannung des Komparators von einem negativen zu einem positiven Sättigungswert um. Der Spannungssprung am Ausgang des Komparators A4 wird näherungsweise — differenziert und ergibt den gewünschten Ausgangsimpuls zur zeitlichen Fixierung des betreffenden Signiilniuximums, welches zeitlich um die Haltezeit der Vetv.ögerungsschaltung gegenüber dem tatsächlichen Auftreten des Maximums verschoben ist.

Bei einer derartigen positiven Flanke der Ausgangsspannung am Komparator A4 wird gleichzeitig der Feldeffekttransistor Tl über die Diode Ü5 in den leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird der Entladewiderstand R4 mit Masse verbunden, so daß der Speicherkondensator Cl sich über die Reihenschaltung

ίο der Widerstände R3 und R4 gemäß einer Exponcntial-Funktion entladen kann. Die durch den Widerstand R6 und den Kondensator CZ bestimmte Halte/eil und die durch den Kondensator Cl und die Widerstände W3 und /?4 bestimmte Zeitkonstante des Entladevorgangs sind dabei derart bemessen, daß auch bei der kürzesten zu erwartenden Periodendauer der Signalmaxima sichergestellt wird, daß der Speicherkondensator sich so weit entlädt, daß auch das kleinste zu erwartende nachfolgende Signalmaximum zu einer erneuten Aufladung des Kondensators führt bzw. nicht »verdeckt« wird. Dabei ist das Verhältnis der Amplituder der Signalmaxima, welche in der kürzestmöglichen Zeil aufeinanderfolgen, als »Kurzzeitdynamik« des Eingangssignals der Schaltung bekannt und ais vorgegeben vor- ausgesetzt. Der Entladckreis bleibt so lange geschlossen, bis die Diode DX vom Eingangssignal erneut durchgeschaltet wird. Wenn die Diode wieder leitend wird und damit der Ladestrom durch den Kondensator Cl wieder zu fließen beginnt, nimmt die Ausgangsspannung des Verstärkers A3 wieder ein negatives Potential an und öffnet den Transistor 71. Dadurch wird wieder der Kondensator CZ aufgeladen, und am Ausgang des Komparators A4 erscheint ein negatives Sättigungspotential, durch welches der Feldeffekttransistor TZ gesperrt und der Entladekreis unterbrochen wird.

Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Schaltung in verschiedener Weise abgewandelt werden kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Die vorgenannte Schaltung hat sich insbesondere bei der Auswertung von bioelektrischen Signalen, bei spielsweise modulierten Ultraschallsignalen. EKG-Signalen und Blutdrucksignalen, bewährt. Sie ist allgemein vorteilhaft anwendbar, wenn es darauf ankommt, den Zeitpunkt der Signalmaxima einer bezüglich der Kurvenform und Amplitude schwankenden Signalfolge genau ?.u bestimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spitzenwert-Detektorschaltung zum Erzeugen impulsförmiger Signale beim Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte einer Polarität einer Signalfolge, mit einem Gleichrichter, einem über diesen geladenen Speicherelement, einem Ladestromrichtungs-Diskriminator, einer Entladeschaltung für das Speicherelement und einem Ausgangsimpulsformer, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsschaltung (4) mit einer ersten Schalteinrichtung (7Ί) vorgesehen ist, diese Schalteinrichtung beim Auftreten eines Extremwertes der vorgegebenen Polarität bewirkt, daß die Verzögerungsschaltung anspricht und die Abgabe eines Impulses durch den Ausgangsimpulsformer (6) wahrend eines vorbestimmten Zeitintervalls verzögert und nach Ablauf dieses Zeitintervalls einen Ausgangsimpuls durch den Ausgangsimpulsformer (6) auslöst und ein Signal an eine zweite Schalteinrichtung (72) abgibt, die den Entladestromkreis schließt Und die Entladung des Speicherelements (O) auf einen Wert bewirkt, der kleiner als der kleinste /u erwartende nachfolgende Extremwei ί der vorbestimmten Polarität ist und die Entladung innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die der Zeit zwischen den •m dichtesten aufeinanderfolgenden Extremwerten einer Polarität entspricht, falls nicht wahrend des vorbestimmten Veniögerungs-Zeiiintcrvalis ein weiterer Extremwert dieser Polarität bewirkt, daß die Abgabe eines für einen Extremwert signifikanten Ausgangsinipulses wiederum bis /um Ablauf eines weiteren vorbestimmten Verzögerungs-Zeitinlervalls verhindert wird.

2. Spitzenwert-Detektorschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter das Verhalten einer idealen Diode nachbildet und «inen Verstärker (Ai), eine diesem nachgeschaltete Diode (Dl) und einen sich über die Diode und den Verstärker erstreckenden GegOnkopplungszwcig aufweist, der einen weiteren Verstärker (42) mit ^!hohem Eingangswiderstand enthält und die Entladung des Speicherelements (Ci) im gesperrten Zustand der Diode (Dl) verhindert.

3. Spitzenwert-Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromrichtungs-Diskriminator (Ai; D2; Dd) zwischen das Speicherelement (CI) und die erste Schalteinrichtung (7Ί) geschaltet ist. einen Verstärker (Ai) mit je einem gegensinnig gepolten, nichtlinearen Schaltelement (D2; D3) aufweist und dessen Ruhestrom dem Ladestrom entgegengesetzt ist und dieser Ausgangssignale abgibt, deren einer Null-Durchgang dem Zeitpunkt der Umkehr der Stromrichtung im Gcgenkopplungs/.weig und damit dem Erlöschen des Ladestroms entspricht und die erste Schalteinrichtung betätigt.