DE2444626C3

DE2444626C3 - Vorrichtung zum Erfassen des Effektivwertes und/oder der Leistung von elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE2444626C3
Application number: DE2444626A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Hassler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-18
Filing date: 1974-09-18
Publication date: 1979-09-06
Also published as: AT356792B; DE2444626A1; US4060763A; FR2285618B1; GB1523648A; ATA711075A; FR2285618A1; DE2444626B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen des Effektivwertes und/oder der Leistung, z. B. auch Kreuzleistung, von elektrischen Signalen, insbesondere von bei der Ultraschall-Doppler-Blutflußmessung anfallenden Dopplersignalen, mit nrndestcns einem in der Verstärkung regelbaren Verstärker für das jeweilige elektrische Signal, der einerseits m einen Regelkreis zur Regelung des Verstärkungsgrades im Sinne der Erzeugung konstanter Verstärker-Ausgangsleistungen eingeschaltet ist und der andererseits auch in einem Meßkreis zum Erfassen des sich bei der jeweiligen Konstantregelung einstellenden Verstärkungsgrades des Verstärkers liegt, wobei der Meßkreis Mittel zur Erzeugung eines Hilfsmeßsignals sowie Mittel zur fortlaufenden Einspeisung dieses Hilfsmeßsignals zusammen mit dem zu vermessenden elektrischen Signal in den Regelverstärker und Wiederabnahme des verstärkten Hilfsmeßsignals vom Regelverstärker durch Wiederabtrennung vom elektrischen Signal umfaßt und wobei der Meßkreis ein Regelglied beinhaltet, das die Amplitude des Hilfsmeßsignals in umgekehrter Proportionalität zum Verstärkungsgrad des Regelverstärkers regelt. Unter dem Begriff »Kreuzleistung« ist dabei die Leistung zweier (oder noch mehr) Signale zu verstehen, die kreuzweise miteinander multipliziert oder nach mathematischer Definition kreuzweise miteinander korreliert sind.

Insbesondere bei der Ultraschall-Doppler-Blutflußmessung muß zur Bestimmung der minieren Blutflußgeschwindigkeit oder daraus abgeleiteter weiterer Größen die Leistung (oder auch Kreuzleistung) der Dopplersignale ermittelt werden. Die Doppler-N F-Signale haben nun eine Bandbreite von ca. 100 Hz bis 15 kHz bei einer Dynamik des Effektivwertes von ca. 50 dB und zusätzlich etwa 10 dB zwischen den zeitlichen Spitzenwerten und dem Effektivwert. Zur Quadrierung eines derartigen Signals sind herkömmliche Multiplizierer nicht geeignet, da für diese eine ausgangsseitige Dynamik von 16OdB bei 1% Fehler erforderlich wäre. Herkömmliche integrierte Multiplizierer erlauben jedoch bei 1% Fehler nur etwa 1OdB Eingangsspannungs-Dynamik.

Durch die US-PS 35 71 706 ( = DE-AS 17 91 225) ist zwar bereits eine Schaltungsanordnung insbesondere zur Effektivwert-Ermittlung vorbekannt; diese Schaltungsanordnung arbeitet jedoch mit einer Gleichspannung als Hilfsmeßsignal, die erheblich driftanfällig ist. Aus diesem Grunde können geringfügigste Abweichungen des in der Amplitude umgekehrt proportional zum Verslärkungsgrad geregelten Hilfsmeßsignals bei Rückführung in den Verstärker zu erheblichen Meßfehlerabweichungen führen.

2(1 Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die be'; geringstem technischen Aufwand und unter Vermeidung obiger Nachteile des Standes der Technik aus elektrischen Signalen, insbesondere Dopplersignalen, sehr hoher Amplitudendynamik den Effektivwert und/oder die Leistung, gegebenenfalls auch Kreuzleistung, ermittelt

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Regelkreis des Regelverstärkers das durchlaufende Meßsignal auf konstante Leistung geregelt wird und daß zur Erzeugung des Hilfsmeßsignals ein Zerhackerschalter vorgesehen ist, der das Ausgangssignal des Regelgliedes zu einer amplitudenproportionalen gleichstromfreien Rechteckschwingung zerhackt und daß der Zerhackerschalter für das Ausgangssignal des Regelgliedes mit einer Frequenz oszilliert, die außerhalb des Frequenzbandes des elektrischen Signals liegt vorzugsweise erheblich höher ist als die höchste im elektrischen Signal vorkommende frequenz, und daß die vorzugsweise hochfrequente Rechte.kschwingung zusammen mit dem niederfrequenten elektrischen Signal nach Überlagerung in einem Addierglied dem Regelverstärker zugeleitet wird.

Die Erfindung hat jetzt einen Verstärkungsgrad-Meßkreis zum Inhalt, der mit einem Signalerzeuger arbeitet, der ein Hilfssignal erzeugt, das annähernd rechteckförmig oszilliert und dessen Frequenz wesentlich höher ist als die Frequenz des zu vermessenden Signals (z. B. Dopplersignal). Als Hilfsmeßsignal dient also nicht eine Gleichspannung wie beim Gegenstand der US-PS 35 71 706; Driftprobleme sowie damit verbundene Meßunsicherheit sind also von vornherein ohne Bedeutung. Vermieden werden ferner auch solche Meßunsicherheiten, die beim Gegenstand der US-PS unvermeidbar wären, sofern dieser Gegenstand mit einer Leistungskonstantregelung nach den Merkmalen vorliegender Erfindung arbeiten würde, eine solche Leistungskonstantregelung bedingt nämlich Verstärkunssgradänderungen, die hinsichtlich des Meßsignalausgangs des Regelverstärkers zu Ausgangsschwankungen im niederfrequenten Bereich führen. Bei Verwendung einer Gleichspannung als Hilfsmeßsignal könnten diese niederfrequenten Schwankungen nicht mehr mit Sicherheit von Driftschwankungen des Gleichspannungssignals unterschieden werden. Damit wäre im Ausgangskreis des Regelverstärkers auch keine saubere Trennung zwischen Meßsignal und Hilfsmeßsignal mehr möglich. Aus diesem Grunde verbietet sich also die Leistungskonstantregelung im Sinne der Erfindung beim Gegenstand der US-PS 35 71 706. Hier erfolg· vielmehr Konstantregek.ng des Effektivwertes durch Wurz..ibildung mittels Radizierg'ied.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Regelkreis ein Quadrierglied mil nachgeschaltetem Integrierglied (Tiefpaß) zur Leistungsbildung der elektrischen Signale.

Soll die Kreuzleistung zweier Signale gebildet werden, so ist hingegen entsprechend das Quadrierglied durch ein Multiplizierglied für die beiden Signale zu ersetzen. Auf den Tiefpaß folgt dann ein Differenzverstärker, der das Leistungssignal der Integrierstufe mit einem vorgebbaren Sollwert vergleicht und der mit seinem Ausgangssipnal den Verstärkungsgrad des Regelverstärkers auf einen solchen Wert regelt, daß die Differenz zwischen Leistungssignal im Regelkreis und Sollwert der Leistung Null wird. Der Meßkreis für den Verstärkungsgrad enthält hingegen in einem bevorzug-

ten Ausführungsbeispiel neben dem Abtrennschalter beim Zeitmultiplex-Prinzip bzw. dem Hochpaß beim Frequenzmultiplex-Prinzip einen Tiefpaß zur Demodulation des verstärkten Meßkreissignals sowie einen weiteren Differenzverstärker, der das demodulierte Meßkreissignal ebenfalls mit einem Sollwert vergleicht. Bei relativ niedriger Verstärkung des Regelverstärkers ergibt sich ein relativ großes Differenzsignal zwischen demodulierter Meßkreisspannung und Sollwert. Bei relativ hoher Verstärkung des Regelverstärkers ist diese Differenzspannung hingegen relativ klein. Man erkennt, daß sich also am Ausgang des Operationsverstärkers — unter Annahme unendlich hoher Kreisverstärkungen — ein Signal ergibt, dessen Amplitude umgekehrt porportional zum jeweils über den Regelkreis eingestellten Verstärkungsgrad des Regelverstärkers ist. Das am Ausgang des Operationsverstärkers im Meßkreis anfallende Signa! steht also in unmittelbare!?! linearen Zusammenhang zum jeweiligen Signaleffektivwert. Durch Quadratur des Effektivwertes ergibt sich dann die gewünschte Leistung. Da Effektivwert und nicht Leistung angezeigt werden, ist die Dynamik dieses Signals im dB-Maß um den Faktor zwei gegenüber einer Leistungsanzeige verringert.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Frfindung läßt sich die Leistung des eingespeisten elektrischen Signals auch unmittelbar dav!"rrh bestimmen, daß in den jeweiligen Einspeisungsphasen des Meßkreissignals in den Regelverstärker das Meßsignal den Meßkreis nicht nur einmal sondern insgesamt zweimal durchläuft. Dieser zweimalige Durchlauf entspricht einer Quadratur des Effektivwertes. Zu diesem Zwecke können die bisher beschriebenen Elemente des Meßkreises in Parallelschaltung doppelt vorhanden sein. Anstelle des zweimaligen Durchlaufs des Hilfskreissignals kann man zur Quadrierung für das Meßsignal auch eine Serienschaltung zweier getrennter Regelverstärker vorsehen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aurführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Effektivwertes und/oder der Leistung einer Signalspannung nach dem Frequenzmultiplex-Prinzip,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Effektivwertes und/oder der Leistung einer Signalspannung nach dem Zeitmultiplex-Prinzip,

F i g. 3 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung einer Si^nalspannung nach dem Zeitmultiplex-Prinzip bei zweifachem Umlauf der Meßkreissignalspannung,

F i g. 4 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kreuzleistung zweier Signalspannungen nach dem Zeitmultiplex-Prinzip,

F i g. 5 eine Vorrichtung, bei der die Summe bzw. die Differenz der Seitenbandleistungen einer Signalspannung auf konstanten Pegel geregelt und der Effektivwert nach dem Frequenzmultiplex-Prinzip bestimmt wird,

F i g. 6 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Differenz der ω-bewerteten Seitenbandleistungen bei Dopplersignalen nach dem Zeitmultiplex-Prinzip und

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Differenz der ω-bewerteten Seitenbandleistungen bei Dopplersignalen nach dem Frequenzmultiplex-Prinzip.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Regelverstärker bezeichnet, der in einen Regelkreis 2 zur Leistungskonstantregelung und in einen Meßkreis 3 zum Messen des sich bei der Leistungskonstantregelung jeweils ergebenden Verstärkungsgrades a des Regelverstärkeis eingeschaltet ist. Über den Regelverstärker 1 laufen ein elektrisches Signal U\(t), z. B. Dopplersignal, dessen Effektivwert bzw. Leistung bestimmt werden soll sowie eine vom Meßkreis eingespeiste Rechteckspannung U₂(I), deren Frequenz deutlich höher als die höchste im elektrischen Signal U\(t) vorkommende Frequenz ist, 7. R. bei 100 kHz liegt. Die vom Meßkreis stammend«: Spannung Ui{i) wird hierbei dem elektrischer Signal (U\(t) in einem dem Regelverstärker j vorgeschalteten Summierglied 4 überlagert.

Der Regelkreis 2 umfaßt einen 15-kHz-Tiefpaß 5, ein Qtiadrierglied 6, einen 30-Hz-Tiefpaß 7 sowie einen Differenzverstärker 8 mit einer Referenzspannung LWi,die einem vorgebbaren !...i^'ungssollwert äquivalent ist. Uer !5-kHz iicipaü dient hierbei zur Abtrennung der Frequenzkomponenten des Signals f/i(l) von den hoherfrequenten Komponenten der 100-kHz-Schwingung Uj(t). Das Quadrierglied 6 bildet das Quadrat der Ausgangsspannung des 15-kHz-Tiefpasses. Nach Aufintegrierung im 30-Hz-Tiefpaß 7 steht am Signaleingang des Differenzverstärkers 8 somit ein Signa! an, das die Leistung des am Ausgang des != ΛΗζ-Tiefpasses anfallenden elektrischer. Signals U\(t) wiedergibt. Das vom Differenzverstärker 8 gelieferte Leistungsdifferenzsignal geht dann über die Regelleitung 9 unmittelbar auf den Verstärkungsregeleingang des Regzlverstärkers I um·.; stellt dessen Verstärkungsgrad a gerade so ein, daß die gemessene Leistung des Signals U\(t) dem eingestellten Sollwert Ur_ci\ gleich ist. Am Ausgang des 15-kHz-Tiefpasses steht somit ein verstärktes Signal U\(t) mit konstanter Leistung an. Es ergibt sich die Beziehung

■7 ^l ί ^L'^U

IJ K

Γ (/Id/

const..

wobei Uierr den Effektivwert des Signals U\(t) K\ eine Konstante und a den bei der Leistungskonstantregelung eingestellten Verstärkungsgrad des Regelverstärkers 1 darstellen. Aus der obigen Beziehung läßt sich also der

j-, Effektivwert U_ir/r des elektrischen Signals U\(t) leicht ermitteln, sofern der Verstärkungsgrad a bekannt ist.

Die Ermittlung des Verstärkungsgrades a erfolgt im Meßkreis 3. Der Meßkreis 3 beinhaltet einen 100-kHz-Bandpaß oder Hochpaß zur Abtrennung der 100-kHz-

,Ii Schwingung Ui(I) vom Signal U\(t). Er umfaßt lerner einen Demodulationstiefpaß 11 mit Gleichrichterdiode, der die am Ausgang des Bandpasses 10 anfallende Schwingung a Utft) bzw. deren Gmndwelle durch Gleichrichtung in eine amplitudenproportionale Gleich-

v, spannung zurückverwandelt. Diese Gleichspannung wird in einem weiteren Differenzverstärker 12 mit einer Referenzspannung LW2 verglichen. Die Abweichung von der Referenzspannung wird im Differenzverstärker 12 stark verstärkt und anschließend durch einen im Takt

bo der 100-kHz-Taktimpulse eines Taktgebers 13 geschalteten Analogschalters 14 (Transistor, z. B. Fet-Schalter) nebst Kondensator 15 wieder in einer amplitudenproportionale 100-kHz-Rechteckschwingung überführt, die dann zusammen mit dem Signal U\(t)den Regelverstär-

b5 ker 1 erneut durchläuft. Ist die über den Regelkreis 2 eingestellte Verstärkung a des Verstärkers 1 niedrig, so muß zum Angleich der Meßkreisspannung an den Referenzwert LW2 das Rechtecksignal U₂(t) am

Eingang des Regelverstärkers hochamplitudig sein. Ist die Verstärkung a hingegen groß, so reicht für diesen Angleich bereits ein niederamplitudiges Rechtccksignal aus. Die Spannung Uj_n am Ausgang des Differenzverstärkers 12 im McRkreih 3 stellt sich somit immer automatisch entsprechend dem Kehrwert der Verstärkung a des Regelverstärkers 1 ein. Unter Annahme unendlich hoher Kreisverstärkungen ergibt sie!, svmit für L^₅, die Beziehung

K₂ wiederum einen konstanten Faktor darstellt, ι > Setzt man dieses Maß für den Verstärkungsgrad a des Regel verstärkers in die obige sich über den Regelkreis 2 ergebende Beziehung für dip Leistung Ηρς S'gnals U\(t) ein, so ergibt sich die weitere Beziehung

Die Spannung Ujss im Meßkreis 2 ist somit unmittelbar linear proportional zum Effektivwert LW des elektrischen Signals U\(t) und gibt somit ein unmittelbares Maß für diesen Effektivwert ab. Durch Quadrierung des Signals U2_5S (Effektivwertsignal) mittels herkömmlichem Quadrierglied läßt sich dann in ein^richer Weise auch die Leistung des Ursprungssignals LV/Jermitteln.

Der Vorteil der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 besteht darin, daß die hohe Gesamtdynamik des Signals U\(t) auf zwei Schaltungselemente, nämlich den Regelverstärker 1 und ein Quadrierglied für die Spannung Ui„ aufgeteilt ist. Den Regelverstärker 1 durchlaufen somit nur Wechselstromsignale, für die von der Dynamik her allein der breite Pegelabstand zwischen Rauschen und Verzerrungsgrenze maßgebend ist. Dieser Bereich ist um ca. 60 dB breiter als der Abstand zwischen Gleichstromdrift und Verzerrungsgrenze. Die dynamischen Anforderungen an das Quadrierglied für das Signal U2_SS sind somit gering und auf einfache Weise mit herkömmlichen Multipüzierern realisierbar. Da das Signal L/_2jJ des Meßkreises 3 dem Effektivwert und nicht unmittelbar der Leistung von U\(t) proportional ist, ist die Dynamik von ί/₂₅, im dB-Maß um den Faktor zwei gegenüber einer Leistungsanzeige verringert. Der Analogschalter 14 muß dementsprechend über einen Bereich von etwa 50 dB störungsfrei arbeiten.

Die nach dem Frequenzmultiplex-Prinzip arbeitende Vorrichtung gemäß F i g. 1 sollte bevorzugt zur Effektivwert- bzw. Leistungsbestimmung von Dopplersignalen nach erfolgter Seitenbandtrennung eingesetzt werden. Im Gegensatz zum Zeitmultiplex-Prinzip stehen nämlich hier die Signale unverfälscht direkt zur Weiterverarbeitung an, z. B. für eine Frequenz-Bewertung gemäß DE-AS 17 91 191 oder gemäß deutsche Patentanmeldung P 23 19 724 zum Zwecke der Ermittlung des Mittelwertes der Blutflußgeschwindigkeit

In der F i g. 2 sind mit 1 wieder Regelverstärker sowie mit 2 und 3 der Regelkreis bzw. der Meßkreis für die Verstärkung a des Regelverstärkers bezeichnet Die Schaltungselemente 6,7,8 sowie !1 und J2 entsprechen denen der Vorrichtung nach Fig. I. Dem Regelverstärker 1 ist ferner zusätzlich noch über eine Kapazität 16 ein Pufferverstärker 17 nachgeschaltet.

Da im vorliegenden Fall das Zeitmultiplex-Prinzip angewendet wird, sind dem Regelverstärker 1 eingangsseitig zwei Schalter 18 und 19 (z. B. Fet-Schalter) zur zeitlich aufeinanderfolgenden gestaffelten Zuführung des elektrischen Signals U\(t)sowe des Meßkreissignals V^(I) zugeordnet. Zur entsprechend gestaffelten ausgangsseitigen Trennung der Signale U](I) und Ui(t) sind zwei synchron geschaltete Abtastschalter 20 und 21 (z. B. Fet-Schalter) vorgesehen.

Die Steuerung der Eingangsschalter 18 und 19 geschieht im Takt einer 8-kHz-Schaltiinpulsfolge Us\ und einer 4-kHz-Schaltimpulsfolge Usi- Die 4-kHz-Schaltimpulsfolge ίΛ? ergibt sich hierbei aus der Schaltimpulsfolge Us\ durch digitale Frequenzhalbierung ii, einem Untersetzerglied 22.

Gemäß Fig. 2 wird demnach der Schalter 18 im 4-kHz-Takt wechselweise an das Signal iVi^und an das Signal UifO angeschaltet. Der Schalter 19 oszillier! hingegen im 8 kHz-Takt. Durch wechselweises Auf- und Eniladen einer Kapazität 23 über einen dem Eingang des Regelverstärkers 1 parallelgeschalteten ohmschen Widerstand 24 erscheint somit das Meßkreissignal Ui(t) während der einen Schaltphase des Schalters 18 als 8-kHz-Rechteckschwingung bipolar am Eingang des Verstärkers 1, während in der anderen Schaltphase des Schalters 18 das Signal U\(t) auf den Verstärker 1 gegeben wird. Die Steuerung der Abtastschalter 20 bzw. 21 am Ausgang des Regelverstärkers 1 erfolgt in entsprechender Synchronität im 4-kHz-Takt über ein Schaltimpuls-Abfallverzögerungsglied 25 bzw. im 8-kHz-Takt über ein Schaltimpuls-Anstiegsverzögerungsglied 26 mit vorgeschaltetem UND-Glied 27. Das Schaltimpuls-Abfallverzögerungsglied 25 bzw. das Schaltimpuls-Anstiegsverzögerungsglied 26 bewirken eine Umschaltung der Schalter 21 bzw. 20 erst dann, wenn mögliche Ümschwinger des Regelverstärkers 1 bereits abgeklungen sind. Auf solchen Uberschwingern beruhende fehlerhafte Meßergebnisse werden hierdurch von vornherein vermieden.

Bei der Vorrichtung nach der Fig. 2 erfolgen Leistungskonstantregelung sowie Einregelungdes Meßkreissignals auf zum Verstärkungsgrad des Regelverstärkers reziproke Amplitudenwerte in derselben Weise wie bei der Vorrichtung nach der Fig. 1. Es ergibt sich demnach am Ausgang des Differenzverstärkers 12 im Meßkreis 3 wiederum ein Ausgangssignal ίΛ«, das entsprechend dem Signal Uj„ der Vorrichtung nach der F i g. 1 streng linear proportional zum Effektivwert des elektrischen Eingangssignals U\(i) ist. Durch Quadrierung dieses Signals erhält man dann wiederum die Leistung des Signals U\(t).

Läßt man in einer Abwandlung der Vorrichtung nach der Fig. 2 (oder Fig. 1) das Meßkreissignal Uj(I) den Meßkreis 3 während einer Staffelphase nicht einmal, sondern insgesamt zweimal durchlaufen, so entspricht dieser zweimalige Durchlauf einer Quadratur des Effektivwertes. Als Meßkreisspannung L^₁₅ ergibt sich dann nicht der Effektivwert sondern das Quadrat des Effektivwertes, welches der Signalleistung unmittelbar proportional ist.

Der zweifache Durchlauf des Meßkreissignals durch den Verstärker 1 wird beispielsweise am einfachsten mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 erreicht. Diese Vorrichtung entspricht im Grundprinzip der Vorrichtung nach der F i g. 2. Sie enthält jedoch darüber hinaus im Meßkreis parallel zu den bereits beschriebenen Schaltungselementen 11, 12, 19, 21 und 23 einen weiteren Schalter 28 mit nachgeschaltetem Demodula-

tionstiefpaß 29, einen Verstärker 30 mit vorgeschaltetem Umschalter 31 nebst einer Kapazität 32. Ferner ist zum wechselweisen Umschalten von einem Parallelzweig auf den anderen des so erweiterten Meßkreises 3 ein zusätzlicher Umschalter 33 vorgesehen. Die Steuervorrichtung für die einzelnen Schalter ist dementsprechend um einen weiteren (nicht dargestellten) Schaltimpulserzeuger erweitert, der im 16-kHz-Takt Schaltimpulse U₅ erzeugt. Die Schaltimpulsfolgen t/s ι und Usi entsprechen denen der Vorrichtung nach F ig. 2.

Die Schaltimpulsfolge Usi ergibt sich dabei wiederum aus der Schaltimpulsfolge Us \ durch digitale Frequenzhalbierung im Untersetzerglied 22. Die Schaltimpulsfolge Us\ ergibt sich hingegen in entsprechender Weise durch digitale Frequenzhaibierung mittels zusätzlichem Untersetzerglied 34 aus der Primärschaltimpulsfolge U_f Die Synrhrnnsteiiening der Ahtastsrhalter 20. 21 nnrl 2R erfolgt wiederum über ein Schaltimpuls-Abfallverzögerungsglied 25 sowie über Schaltimpuls-Anstiegsverzögerungsglieder 26 bzw. 35 mit entsprechend vorgeschalteten logischen Verknüpfungsgliedern 36, 37, 38 (UND-Glieder mit Invertierstufe).

Entsprechend dem dargestellten Schaltschema wird durch wechselseitiges kreuzweises Schließen der Schalter 19 und 28 bzw. der Schalter 21 und 31 sowie durch wechselweises Umschalten des Schalters 33 im 8-kHz-Takt von einem Parallelzweig des Meßkreises auf den anderen erreicht, daß in den Übertragungspausen des Signals U\(t) zum Regelverstärker I das Meßkreissignal den Regelverstärker 1 insgesamt zweimal durchläuft und somit während dieser Pausen am Differenzverstärker 12 das Meßkreissignal um das Quadrat des Verstärkungsfaktors a verstärkt anfällt. Bei entsprechender Wahl der Referenzspannungen Ug_et\ um Differenzverstärker 8 des Regelkreises 2 und UHeu am Differenzverstärker 12 des Meßkreises 3 ergibt sich dann die Ausgangsspannung am Differenzverstärker 12 zu

Cf.

Das Signal t/>„ ist damit ein unmittelbares Maß für das Quadrat des Effektivwertes und damit der Leistung des Ursprungssignals U\(t).

In der Anordnung nach Fig. 3 kann anstelle eines oder beider Tiefpässe 11 bzw. 29, die das Ausgangssignal des Regelverstärkers 1 gleichspannungsmäßig speichern, ein Wechselspannungsspeicher, z. B. LC-Parallelschwingkreis, treten. Bei Einsatz eines Wechselspannungsspeichers fällt die Signalinformation direkt als Wechselschwingung an. Dadurch erübrigt sich zumindest im unteren Parallelzweig 28 bis 32 des Meßkreises 3 die zweifache Umwandlung von Wechselgröße in Gleichgröße und umgekehrt Außerdem werden Überschwingungen, die bei Rechteckimpulsen unweigerlich auftreten, vermieden, womit auch einfachere und damit preiswertere Schalttransistoren als Umschalter verwendet werden können und ein Einsatz von digitalen Flankenverzögerungsgliedern für die Schaltimpulse sich erübrigt

Im Falle der Ultraschall-Doppler-Blutflußmessung sollte die beschriebene Schaltung gemäß F i j. 3 bevorzugt zur Leistungsbestimmung des geregelten Dopplersignals nach erfolgter Frequenz (ω)-Bewertung (z. B. gemäß DE-AS 17 91 191 bzw. deutsche Patentanmeldung f 23 19 724) eingesetzt werden. Die durch das Bewertungsfilter neu entstehende Signaldynamik beträgt etwa 20 dB, so daß Um um 40 dB schwankt. Dieser Dynamikwert ist klein genug, um mittels obiger Schaltung gut realisiert werden zu können. In einer Abwandlung der beschriebenen Vorrichtung können für Ufi_er\ und Uitcn auch Signale kleiner Dynamik in die entsprechenden Differenzverstärker eingegeben werden. Neben der Leistungsmessung ist mit dieser Schaltung dann beispielsweise auch eine Anschluß-Multiplikation oder Division möglich.

Auf einen zweimaligen Durchlauf des Meßkreissignals durch einen einzigen Regelverstärker zum Zwecke einer Quadrierung kann verzichtet werden, wenn man für das elektrische Signal zwei getrennte Regelverstärker vorsieht, die jedoch vom Meßkreissignal zeitlich nacheinander durchlaufen werden. Hinsichtlich des Meßkreissignals wird somit das Produkt der F.inzelverstärkungen a und h heider Verstärker erfaßt womit sich im Meßkreis ein Signal (A₅, daß wiederum proportional zur Signalleistung ist.

Die F i g. 4 zeigt eine nach diesem Prinzip arbeitende Schaltungsanordnung. Anstelle nur des Signals U₁(I) wird auf den zusätzlichen Verstärker 39 jedoch ein zweites Signal Uj(t) gegeben. Die Vorrichtung nach der Fig.4 bildet demnach in einer Modifikation nicht lediglich die Leistung des Signais U\(t\ sondern die Kreuzleistung der Signale U\(t) und Ui(t). Die Arbeitsweise dieser Schaltung entspricht ansonsten jedoch der oben angeschnittenen. Es wird demnach das Signal U\(t)über einen Schalter 18 dem Regelverstärker 1 zugeleitet. Das Signal U}(t) wird hingegen über einen entsprechenden Schalter 42 auf den Verstärker 39 gegeben. Der Schalter 42 wird wechselweise zwischen der Eingangsklemme für die Spannung Us(I) und dem Signalausgang des Regelverstärkers 1 hin- und hergeschaltet. Da die Umschaltung synchron mit dem Schalter 18 erfolgt, liegt während der Rückkopplungsphasen des Meßkreissignals in den Verstärker 1 der Schalter 42 an der Verbindungsleistung 42' zwischen Ausgang des Verstärkers 1 und Eingang des Verstärkers 39. Das Meßkreissignal durchläuft damit in zeitlicher Aufeinanderfolge den Regelverstärker 1 und anschließend den Regelverstärker 39. Es wird somit das Produkt der Verstärkungen a und b beider Verstärker erfaßt. Mit

,lh

Cf-M

und

: ■- K₂ ;ib (.

ergibt sich dann am Ausgang des Differenzverstärkers 12 die Spannung i/jjZU

Diese Spannung Us* ist damit der Kreuzleistung der beiden Signale U\(t)\ind Ui(t)unmittelbar proportional.

Unter Beachtung der Nichtgleichartigkeit der Regelkennlinien beider Verstärker 1 und 39 ist bei der Vorrichtung nach der F i g. 4 lediglich der Regelverstärker 1 für eine Leistungskonstantregelung vorgesehen. Der Regelverstärker 39 wird hingegen über den Schalter 43, den Tiefpaß 44 mit Gleichrichterdiode und den Differenzverstärker 45 mit der Referenzspannung UrcH auf den konstanten Gleichrichtwert UR_Cn geregelt Bei der Vorrichtung nach der F i g. 4 empfiehlt sich das Zeitmultiplex-Verfahren, weil beim Frequenz-Multi-

p!ex-Verfahren erhebliche Anforderungen an die Abtrennfiite:· gestellt werden müssen. Eine entsprechende Anwendung des Frequenz-Multiplex-Vertahren? ist jedoch im Prinzip möglich.

Während in der Vorrichtung nach der Fig.3 das Schaltun^elied 6 ein Quadrierglied zur Quadratur der elektrischen Spannung U\(i) ist, handelt es sich beim Glied 6 in der Anordnung nach der F i g. 4 um ein reines Multiplizierglied zur Multiplikation der Spannung ll\(t) mit der Spannung Uj(t). Wird in einer Modifikation der Vorrichtung nach Fig. 4 dieses Multiplizierglied 6 entsprechend der Vorrichtung nach der F i g. 3 ebenfalls als Quadrierglied ausgebildet, so wird sich die Verstärkung a aes Verstärkers I wie bisher beschrieben einregeln. Wird dann anstelle des Signals U}(t) dem Verstärker 39 auch dar Signal U\(t) zugeleitet und wird dann die Differenz zwischen den Gleichrichtwerten der AnciTaniTccnannnnfT dCS Verstärke" 1 ufid dCS Vc"iär kers 39 gebildet, wobei die Spannungen jeweils hinter den Schaltern 20 und 43 abgegriffen werden, und wird mit dieser Differenzspannung dann die Verstärkung des Verstärkers 39 auf den Verstärkungswert des Verstärkers 1 eingeregelt, so ergibt sich für das Meßkreissignal des Meßkreises 3 nach Durchlaufen des Verstärkers 1 und anschließend des Verstärkers 39 das Quadrat der Verstärkung a des Verstärkers 1. Als Spannung U„ am Ausgang des Differenzverstärkers 12 fällt dann das Quadrat des Effektivwertes led'glich der Spannung da beiden Verstärkern eingangsseitig dieselben 100-kHz-Hilfsmeßsigniile zugeführt werden und durch den zusätzlichen Regelkreis 50 bis 53 auf Spannungsgleichheit an beiden Ausgängen der Verstärker 1 und 47 -> geregelt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Regelung für 180°-phasenverschobene Signale U\(t)uniS Utft) in der Weise, daß entweder die Differenz der Einseitenband-Signalleistungen oder deren Summe konstant ist. Die Anwahl konstante Summenleistung oder konstante in Differenzleistung geschieht mittels eines Umschalters 57. Werden die drei Bezugsspannungen Un,r\, LW2 bzw. LW j zu

α Κ: ΙΛ, ·

gewählt, so ergibt sich die Spannung ίΛ, am Ausgang des Differenzverstärkers 12 im Meßkreis 3 zu

Bei der Ultraschall-Doppler-Blutflußmessung muß häufig auch die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Strömungen gemessen werden. In einem solchen Fall sind zwei im Effektivwert gleiche, jedoch phasenmäßig unterschiedliche, insbesondere um 180° gegeneinander phasenverschobene, Rauschsignale U\(t) und Ih(I) auf konstanten Pegel der Kreuzleistung zu regeln; anschließend ist der Effektivwert zu bilden.

Der Effektivwert ergibt sich, wenn das Meßkreissigp.a! nur einen von zwei Regeiverstärkern durchläuft, die exakt gleiche Verstärkungen haben. Da das Doppler-NF-Signal weiterverarbeitet werden soll, empfiehlt sich die Frequenzmultiplex-Technik.

In der Vorrichtung nach der F i g. 5 entsprechen die Bauelemente 1 bis 15 denen der Fig. 1. In Modifikation der Vorrichtung nach der F i g. 1 ist jedoch ein zusätzlicher Regelkreis 46 mit einem Regelverstärker 47 nebst über Kondensator 48 nachgeschaltetem Pufferverstärker 49, einem weiteren 100-kHz-Band- oder -Hochpaß 50 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 51 sowie Demodulationstiefpaß 52 sowie einem Differenzverstärker 53 mit der Referenzspannung LWj vorgesehen. Dem zusätzlichen Regelverstärker 47 ist ein weiteres Addierglieu 54 für die Spannung U*(t) und die vom Meßkreis 3 zugeleitete Meßkreisrechteckschwingung U2(t) vorgeschaltet Ferner ist im Regelkreis 2 zwischen dem 30-Hz-Tiefpaß 7 und dem Differenzverstärker 8 zusätzlich ein Gleichrichter 55 zur Umwandlung negativer Spannungen in eine entsprechende positive Spannung zwischengeschaltet. Dem Pufferverstärker 49 ist wiederum ein 15-k Hz-Tiefpaß 5 nachgeschaltet. Die Ausgangssignale beider Tiefpässe 5 werden in einem Multiplizierglied 56 miteinander multipliziert.

Bei der Vorrichtung nach der Fig.5 wird der Verstärkungsgrad a des Verstärkers 1 wie bisher beschrieben eingeregi 't. Der Verstärkungsgrad b des Verstärkers 47 regelt sich hingegen in entsprechender Weise auf den Verstärkungsgrad a des Verstärkers 1 ein, ' κ,/: ' '«./.ι
κ,/1 K₁ Ki λ ι

Es erf ibt sich somit ein Signal U_ss , das proportional ist zuri L'ffektivwert der Summe oder der Differenz der Leistungen der Signale U\(t)und U*(t).

Bei der Ultraschall-Doppler-Blutflußmessung ergibt sich die mittlere Blutflußgeschwindigkeit bekanntlich aus dem Quotienten der Leistungen des frequenz-(co-)bewerteten und nicht frequenz-(oj-)bewerteten Dopplersignals. Die Ermittlung der Leistung nach ω-Bewertung kann hierbei durch einfache Quadratur des ω-bewerteten Dopplersignals mittels einer der vorhergehend beschriebenen Vorrichtungen erfolgen. Ferner besteht auch die Möglichkeit, das bereits in der Leistung konstant geregelte Signale (Quadratursignal) für den Nenner des Quotienten zur ω-Bewertmg zu differenzieren und anschließend die Kreuzleistung von nicht bewertetem und bewertetem Quadratursignal zu bilden.

In der Vorrichtung nach der F i g. 6 wird zu diesem Zwecke beispielsweise das konstant geregelte Quaclratursignal Us(t) nach Differentiation in einem Differenzierglied 58 über den Regelverstärker 1 auf ein Multiplizierglied 59 gegen und dort mit dem direkt zugeleiteten Quadratursignal υφ) multipliziert. Das Differenzieren bringt ca. 40 dB Pegeldynamik in der zugehörigen Signalleitung. Der Regelverstärker 1 wird nun so geregelt daß sich unabhängig von der Polarität eine konstante Kreuzleistung mit dem Wert LWi/Κί einstellt. Bei einmaligem Durchlauf des Meßhilfssignals durch den Meßkreis ergibt sich somit bereits schon am Ausgang des Differenzverstärkers 12 ein Signal Uss das unmittelbar proportional zur Kreuzleistung des bewerteten und nicht bewerteten Signals U$(t) ist. Bei der Multiplikation können sich sowohl positive als auch negative Produktsignale ergeben. Da die Referenzspannungen LWi und LW2 jeweils konstant positiv gewählt sind, muß bei negativem Produktsignal die Polarität des Signals entsprechend umgekehrt werden. Dies geschieht im Regelkreis mit Hilfe eines Polwendegleichrichters 60 und im Meßkreis mit Hilfe eines die negative Polarität erkennenden Operationsverstärkers 61. der

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Ober einen Schalter 62 bei negativer Polarität ein Fig.6 beschriebenen Operationen lassen sich jedoch

Invertierglied 63 für die Spannung i/„ zuschaltet prinzipiell auch nach dem Frequenzmultiplex-Prinzip

Da speziell nur das Maß der Leistung von Interesse durchführen. Eine zur Vorrichtung nach der F i g. 6

ist, kann das Zeitmultiplex-Verfahren bevorzugt An- äquivalente Frequenzmultiplex-Schaltung ist in der

wendung finden. Oie für die Vorrichtung nach der 5 F i g. 7 angedeutet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erfassen des Effektivwertes und/oder der Leistung, z. B. auch Kreuzleistung, von elektrischen Signalen, insbesondere von bei der Ultraschall-Doppler-BlutfluBmessung anfallenden Dopplersignalen, mit mindestens einem in der Verstärkung regelbaren Verstärker für das jeweilige elektrische Signal, der einerseits in einen Regelkreis zur Regelung des Verstärkungsgrades im Sinne der Erzeugung konstanter Verstärker-Ausgangsleistungen eingeschaltet ist und der andererseits auch in einem Meßkreis zum Erfassen des sich bei der jeweiligen Konstantregelung einstellenden Verstärkungsgrades des Verstärkers liegt, wobei der Meßkreis Mittel zur Erzeugung eines Hilfsmeßsignals sowie Mittel zur fortlaufenden Einspeisung dieses Hilf^meßsignals zusammen mit dem zu vermessenüefl elektrischen Signal in den Regelverstärker und Wiederabnahme des verstärkten HiIFsmeßsignals vom Regelverstärker durch Wiederabtrennung vom elektrischen Signal umfaßt und wobei der Meßkreis ein Regelglied beinhaltet, das die Amplitude des Hilfsmeßsignals in umgekehrter Proportionalität zum Verstärkungsgrad des Regelverstärkers regelt, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis (2) des Regel Verstärkers (1) das durchlaufende Meßsignal (U\(t)) auf konstante Leistung geregelt wird und daß zur Erzeugung des Hilfsmeßsignais (U₂(t)) ein Zerhackerschalter (14 oder 19) vorgesehen ist, der d* , Ausgangssignal des Regelgliedes (12) zu einer amplitudenproportionalen gleichstromfreien Rechtecksch ingung zerhackt und daß der Zerhackerschalter für das Ausgangssignal des Regelgliedes (12) mit einer Frequenz oszilliert, die außerhalb des Frequenzbandes des elektrischen Signals (U\(t)) liegt, vorzugsweise erheblich höher ist als die höchste im elektrischen Signal (U\(t)) vorkommende Frequenz, und daß die vorzugsweise hochfrequente Rechteckschwingung (Ui(I)) zusammen mit dem niederfrequenten elektrischen Signal (U\(t)) nach Überlagerung in einem Addierglied (4) dem Regelverstärker (1) zugeleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einfache Effektivwert- und/oder Leistungsbildung eines Signals (U\(t))der Regelkreis (2) ein Quadrierglied (6) zur Quadratur des im Verstärker (1) verstärkten elektrischen Signals (U\(t)) und ein dem Quadrierglied nachgeschaltetes Integrierglied (7) für das quadrierte Signal umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis (2) dem Integrierglied (7) ein Differenzverstärker (8) nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignal des Integriergliedes (8) mit einem vorgebbaren Leistungssollwert (Ur^]) vergleicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (8) ausgangsseitig am Verstärkungsgrad-Regeleingang des Verstärkers (1) angeschaltet ist zur Einstellung des Verstärkungsgrades (a) in Abhängigkeit vom Leistungsdifferenzsignal des Differenzverstärkers (8) in dem Sinne, daß die Ausgangsleistung des Regelverstärkers (1) dem Leistungssollwert (LWi) am Differenzverstärker (8) entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung des elektrischen Signals (U\(t)) und des Hilfsmeßsignals (Lh(O) ^zu"i Verstärker (1) sowie die nachfolgende Enttrennung der Signale am Ausgang des Verstärkers (1) zum Zwecke der Einspeisung des verstärkten elektrischen Signals (U\(t)) in den Regelkreis (2) und Wiederzuleitung des verstärkten Hilfsmeßsignals (Lh(O) in den Meßkreis (3) wahlweise mitteis Frequenz- oder Zeitmultiplex-Prinzip geschieht

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Enttrennung der Signale (U\(0) und Lh(O) ^am Ausgang des Regelverstärkers (1) eine Frequenzweiche, besühend aus einem im Regelkreis (2) angeordneten Tiefpaß für die Frequenzen des elektrischen Signals (Ui(t)) sowie einem im Meßkreis angeordneten Hoch- oder Bandpaß für die Frequenzen der Rechteckschwingung, vorhanden ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß eine Grenzfrequenz im Bereich von ca. 15 kHz aufweist und der Hoch- oder Bandpaß auf Frequenzen gleich und/oder oberhalb 100 kHz abgestimmt ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß bei Anwendung des Zeitmultiplex-Prinzips der Regelverstärker (1) eingangsseitig einen Umschalten (18) aufweist, der zur zeitlich gestaffelten Zuführung von elektrischem Signal (Lf](O) und Hilfsmeßsignal (Lh(O) wechselweise zwischen beiden Signalen oszilliert

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß am Ausgang des Regelverstärkers (1) synchron mit dem Eingangsschalter (18) geschaltete Abtastschalter (20, 21) zur Abtastung der verstärkten Signale (Ut(O ^ur>d U₂(O) entsprechend deren zeitlich gestaffelten Eingabe in den Verstärker (1) vorhanden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß zur mittelbaren Leistungsbildung des elektrischen Signals (U\(0) aus dem Effektivwert am Ausgang des Regelgüedes (12) im Meßkreis (3) ein Quadrierglied angeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur unmittelbaren Leistungsbildung des elektrischen Signals (U](O)der Meßkreis (3) Mittel (28 bis 33) zur Erzeugung eines zweifachen Durchlaufs des Hilfsmeßsignals (U₂(O) durch den Regelverstärker (1) während jeder Einspeispause des elektrischen Signals (Ui(O) ^ent* hält

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur unmittelbaren Leistungsbildung des elektrischen Signals (U](O) zum Regelverstärker (1) ein weiterer Regelverstärker (39) vorgesehen ist mit Zuführmitteln (18,42,42') zur Zuführung des elektrischen Signals (U](O) und des Hilfsmeßsignals (Ui(O) 'ⁿ dem Sinne, daß das elektrische Signal (U](O) jedem Verstärker (1, 39) gleichzeitig in Parallelformation, das Hilfsmeßsignal (U₂(O) hingegen beide Verstärker in Serie nacheinander durchläuft.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kreuzleistungsbildung zweier Signale (U](O und Uj(O) die beiden Verstärker (1, 39) von je einem der Signale gleichzeitig in Parallelformation durchlaufen werden und daß das Quadrierglied (6) des Regelkreises (2) durch ein Multiplizierglied für die beiden Signale (U](0und (///^ersetzt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Verstärker (39) einen Regelkreis (44, 45) zur Einregelung dessen Verstärkungsgrades auf den Verstärkungsgrad (a) des ersten Regelverstärkers (1) umfaßt

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einregelung des Verstärkungsgrades des zweiten Verstärkers (39) dessen Regelkreis (44, 45) wahlweise vom Hilfsmeßsignal (Wt)) oder vom auszumessenden Nutzsignal (U\(t) bzw. Lh(O) beaufschlagt ist.