DE2520383A1 - Signalumformer - Google Patents

Signalumformer

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DE2520383A1
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John Dr Med Elliott
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Description

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH
DIPL.-ING. ERNST RATHMANN
München 71,
Melchioretr. 42
Unser Zeichen: A. 13 128
Research and Development
Scientists, Inc.
1107 Alfred I. duPont Building
Miami, Florida
U.S.A.
Signalumformer
Die Erfindung betrifft einen Signalumformer, insbesondere einen Umformer zum Umformen von hörbaren oder nicht-hörbaren Signalen in eine Frequenz und Form, die sich besser für eine lautliche
Interpretation und Erläuterung eignet.
Es ist bekannt, daß viele Signale, z.B. elektroenzephalogjgphische Wellen (E.E.G.), elektromyographische Wellen (E.M.G.),
ballistokardiographische Wellen, elektrokardiographische Wellen (E.K.G.) Druckimpulswellen und Herzschläge nicht hörbar sind
oder nicht hörbare Komponenten haben, d.h. Komponenten mit
einer Frequenz von z.B. zwischen O und 20 Hz. Diese Komponenten werden beispielsweise beim Öffnen und Schließen der Herzklappen erzeugt und es ist erwünscht, solche Komponenten in hörbare
Frequenzen umzuformen, um diese Unterschallkomponenten der Herz-
Lh/fi - 2 -
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tonwellen mit denselben Komponenten der Herzschläge einer anderen Person, z.B. einer gesunden Person zu vergleichen, um dadurch eine Fehlfunktion des Herzens oder der Herzklappen festzustellen.
Es wurde kürzlich gefunden, daß die menschliche Stimme unter normalen Bedingungen bestimmte Unterschall-Frequenzkomponenten enthält, die verschwinden, wenn die betreffende Person unter emotionaler Anstregung spricht. Durch Umformen solcher Komponenten in hörbare Signale ist es z.B. möglich, festzustellen, ob eine Person emotionalen Belastungen ausgesetzt war und beispielsweise ob sie bei ihren Aussagen lügt.
Allgemein gibt es viele hörbare Töne, die in einer Frequenz auftreten, für die das Ansprechvermögen des Ohres schwach ist. Es ist daher wünschenswert, solche Töne in einen Frequenzbereich umzuformen, für die das Ohr empfindlich bzw. empfindlicher ist.
In der Vergangenheit ist eine solche Umformung durch Frequenzmodulation der Eingangssignale vorgenommen worden. Diese Technik hat aber eine Anzahl Nachteile.
Ein Nachteil ist, daß ein Ausgang erzeugt wird, auch dann wenn das Eingangssignal Null ist. Ein Anästhesist z.B.muß auch bei langwierigen Operationen auf die Ausgangssignale hören und diese verfolgen, was äußerst ermüdend sein kann. Ferner hat der Ausgang eine konstante Amplitude und jede Änderung des Eingangssignales wird in eine Frequenzänderung umgeformt, die unterschiedlich festzustellen und zu interpretieren ist, insbesondere bei hohen Frequenzen, was äußerst umständlich ist.
Nachteilig ist fernerhin, daß die Ausgänge, die durch Frequenzmodulation eines Sinuswelleneingangs und eines Rechteckwelleneinganges erzeugt werden, sehr ähnlich sind, wodurch Mißdeutungen entstehen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Signalumformer zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Frequenzquelle, die in einem ausgewählten Frequenzbereich arbeitet, um einen Ausgang zu erzeugen, dessen Frequenz sich entsprechend den Änderungen der Größe eines Eingangssignales ändert, ferner durch Einrichtungen zum Verändern der Amplitude des Ausganges der Frequenzquelle, abhängig von den Änderungen des absoluten Wertes des Eingangssignales, derart, daß diese Amplitude proportional zu dem absoluten Wert ist und daß sie Null ist, wenn der absolute Wert Null ist.
Vorzugsweise umfaßt der Umformer einen Frequenzmodulator, der in einem ausgewählten Frequenzbereich arbeitet, um einen Ausgang zu erzeugen, der durch ein Eingangssignal moduliert wird, sowie einen Amplitudenmodulator, der den Ausgang des Frequenzmodulators moduliert, abhängig von dem absoluten Wert des Eingangssignales, wobei der Ausgang des Amplitudenmodulators Null ist, wenn der absolute Wert Null ist.
Da die Amplitude des Ausganges mit den Änderungen des absoluten Wertes des Eingangssignales variiert und Null ist, wenn das Eingangssignal Null ist, wird die lautliche Interpretation erleichtert.
Vorzugsweise sind die Bereiche der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation variabel. Die Amplitudenmodulation und/oder die Frequenzmodulation können linear oder nicht-linear sein, beispielsweise logarithmisch, und sie können so gewählt werden, daß sie dem Ansprechvermögen des menschlichen Ohres entsprechen, wodurch die Interpretation noch weiter erleichtert wird.
Die Trägerwelle oder die Mittenfrequenz können zweckmäßigerweise ebenfalls variabel sein, um den Umformer auf dem besten und empfind-
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lichsten Frequenzbereich des Ohres der Bedienungsperson einzustellen.
Bei einer Frequenzmodulation allein müssen die Frequenzänderungen als Änderungen in der Eingangsamplitude interpretiert werden, was Schwierigkeiten macht hinsichtlich der Interpretation von Tönen, während bei einer Frequenz- und Amplitudenmodulation Änderungen der Ausgangsamplitude direkt Änderungen der Eingangsamplitude anzeigen.
Wenn eine Frequenz- und Amplitudenmodulation für elektrokardiographische Wellen verwendet wird, ist eine Begrenzung der Frequenzmodulation der R-Welle bei der hohen Verstärkung, die notwendig ist, um Änderungen der P-Welle und der T-Welle zu hören, von geringerer Bedeutung, weil, obwohl die Frequenzverschiebung der R-Welle begrenzt ist durch den Frequenzgang des Umformers und eine Abkappung auftritt, die relative Amplitude und Dauer der R-Welle und der P- and T-Wellen unterseheidbar. Bei einer Frequenzmodulation allein kann nur die Dauer der R-Welle festgestellt werden.
Die Erfindung eignet sich besonders für tragbare Diagnosegeräte, z.B. für praktische Ärzte. Ein Stethoskop , beispielsweise kann einen Signalumformer nach der Erfindung und einen Lautsprecher oder Kopfhörer, sowie ein kleines Bandgerät umfassen. Ein solches Stethoskop kann genügend kompakt ausgeführt werden, daß es handlich ist und von einem Arzt mitgenommen und getragen werden kann. Die Ergebnisse einer Diagnose können dann an Ort und Stelle bei dem Patienten aufgezeichnet und später im Laboratoriom analysiert werden.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1A, 1B und 1C entsprechend ein Eingangssignal, ein frequenz-
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moduliertes Ausgangssignal und ein frequenz-amplitudenmoduliertes Ausgangssignal zeigen.
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockdiagrammes eine Schaltung zum Umformen eines Eingangssignales in ein hörbares Signal in einem gewünschten Frequenzbereich.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Signalumformers.
Fig. 4 zeigt im Detail eine Schaltung eines Teils einer modifizierten Form des Umformers nach Fig. 3.
Das in Fig. 1A gezeigte Eingangssignal ist eine elektrokardiographische Welle (E.K.G.) und die Figuren ?B und 1C vergleichen die Ausgangswellenformen, die man erhält bei Verwendung der E.K.G-Welle entsprechend bei Frequenzmodulation und bei Frequenz-Amplituden-Modulation einer Trägerwelle. Wie Fig. 1C zeigt, ist die Amplitude des frequenz-amplituden-modulierten Ausgangssignales Null, wenn die Eingangsamplitude Null ist. Das Signal nach Fig. 1C hat eine andere Form als das Eingangssignal aber die im Eingangssignal enthaltene Information ist leicht durch das Auge oder Ohr zu interpretieren. Die positiven und negativen Teile des Eingangssignales sind unterscheidbar, weil die Teile der Hüllkurve, die den positiven Teilen des Eingangssignales entsprechen , eine höhere Frequenz haben als die, die den negativen Teilen des Eingangssignales entsprechen.
Die Umformung kann bewirkt werden durch digitale oder analoge Methoden, in den nachfolgenden Ausführungsformen werden als Beispiel analoge Umformer beschrieben.
Wie oben beschrieben, ist der Umformer geeignet für einen weiten Bereich von Signalen, z.B. E.M.G.; E.E.G. und E.K.G-Wellen,
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Impulsdruckwellen und Herzschläge. Diese Signale können in unterschiedlicher Weise abgeleitet werden. Beispielsweise werden die E.E.G., E.M.G. und E.K.G.-Wellen erhalten durch Anbringen von Elektroden an entsprechenden Körperteilen, die Druckimpulswellen werden gemessen mit Hilfe eines Druck-Umwandlers und die Herzschläge mittels eines Mikrophones. Wegen der hier erzeugten niedrigen Signalstärken erfordern bestimmte Eingänge eine Impedanz-Anpassung, wozu die Umwandler mit Vor-Verstärkern getrennt von dem Signalumformer versehen sein können. Auf diese Weise wird die Geräuschhöhe eines Eingangssignals auf ein Minimum herabgedrückt.
Wie Fig. 2 zeigt, wird das Eingangssignal durch einen variablen Verstärker 10 verstärkt und dann an eine Schaltereinheit 12 gelegt, die zwei gekoppelte Drei-Wege-Schalter 14 und 16 hat. In der Position 1 ist das verstärkte Signal mit dem Eingang eines frequenzmodulierenden Schaltkreises 18 verbunden und in Position 3 ist es an den Eingang eines amplituden-modulierenden Schaltkreises 20 gelegt, während es in Position 2 mit beiden Eingängen verbunden ist. Die beiden Schaltkreise 18 und 20 steuern einen Kippgenerator 22 (relaxation oscillator), der eine Trägerwelle erzeugt, deren Frequenz und/oder Amplitude moduliert wird entsprechend den Variationen der Amplitude des Eingangssignales, abhängig von der Position der beiden Schalter 14 und 16. Der Ausgang des Kippgenerators 22 wird dann durch einen Ausgangs-Verstärker 24 verstärkt, an den ein Lautsprecher 26 angeschlossen ist. Wenn gewünscht, kann die Trägerfrequenz auf jeden gewünschten Wert einstellbar gemacht werden.
Die Schalter 14 und 16 werden betätigt, um entweder die Frequenz/ Amplituden-Modulation oder die Frequenzmodulation oder Amplitudenmodulation allein auszuwählen, aber dies kann erreicht werden, indem die Schaltkreise 18 und 20 einstellbar gemacht werden, um den Bereich der Frequenz- oder Amplitudenmodulation entsprechend zu variieren oder indem die Schalter durch Potentiometer ersetzt werden, um den Eingang zu jedem der Schaltkreise 18 und 20 zwischen Null
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und einem Maximalwert zu verändern.
Ein Ausgang des Kippgenerators 22 ist ein Emitter-Folger zum Trennen des Verstärkers 24 und der Amplitudenmodulator kann als variabler Widerstand betrachtet werden, der parallel zu dem Emitter-Folger geschaltet ist, der effektiv kurzgeschlossen wird, wenn der Ausgang des Amplitudenmodulators 20 Null ist. Dies ergibt einen Null-Ausgang wenn der Eingang Null ist, wie in Fig. 1C gezeigt ist, d.h. der kontunuierliche Ton, der bei Frequenzmodulation allein erzeugt wird und den die Anästhesisten, die übliche Geräte verwenden, als stark ermüdend empfunden haben, ist beseitigt.
Gemäß Fig. 3 wird die Frequenzmodulation des Eingangssignales bewirkt durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 40 und die Amplitudenmodulation durch Mischen oder Multiplizieren des Ausganges des Oszillators 4O mit dem absoluten Wert des Eingangssignales. Der absolute Wert wird abgeleitet von einem Voll-Wellen-Gleichrichter 42, der an eine analoge Vier-Quadranten-Multiplizier-Schaltung 44 angeschlossen ist. Die Wellenformen a, b und c entsprechen den Wellenformen der Figuren 1Af 1B und 1C. Bei b wird ein frequenzmodulierter Ausgang geliefert, der auf einem gewöhnlichen Bandgerät aufgezeichnet werden kann, so daß das originale Eingangssignal durch Demodulation im Laboratorium reproduziert werden kann.
Die Mittenfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 40 ist einstellbar und der Frequenzbereich des modulierten Ausganges kann beispielsweise gesteuert werden durch Einstellen der Höhe des Eingangssignales, das an den Oszillator angelegt wird, unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Potentiometers. Vorzugsweise ist die Mittenfrequenz einstellbar von etwa 70 bis etwa 15 000 Hz, d.h. über einen hörbaren Bereich. In ähnlicher Weise kann die Stärke der Amplitudenmodulation gesteuert werden, durch Einstellen der Höhe und der Stärke des Eingangssignales, das an die Multiplizier-
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schaltung 44 gelegt wird.
Ein Schalter S* wird benutzt, um einen Logarithmir-SchaltkiELS 48 anzuschalten, durch den der frequenzmodulierte Ausgang logarithmisch mit den Änderungen der Stärke des Eingangssignales verändert wird.
Fig. 4 zeigt ±n Detail eine modifizierte Form der Schaltung zwischen den Punkten a und c von Fig. 3. In der Schaltung nach Fig. 4 ist kein Kreis mit absoluten Werten erforderlich. Der spannungsgesteuerte Oszillator 40 ist z.B. ein integriertes Plättchen (chip) ICL 8038, dessen Ausgangsfrequenz mit der an den Anschluß 8 angelegten Spannung veränderlich ist. Ein Potentiometer P^ wird benutzt, um die Gleichspannungshöhe am Anschluß 8 einzustellen und damit auch die Mittenfrequenz. Die Höhe des Eingangssignales, das an den Anschluß 8 gelegt wird, ist mit Hilfe eines Potentiometers P2 einstellbar, um den Bereich der Ausgangsfrequenzen einzustellen, d.h. die Stärke der Frequenzmodulation. Im Emitterkreis eines Transistors T- liegt ein Schalter S^, der den Emitter entweder direkt mit Erde vabindet, in welchem Fall der Kollektorstrom proportional zum Logarithmus des an die Basis gelegten Eingangssignales ist oder er verbindet ihn mit einem geerdeten Widerstand R-] . Mit Hilfe des Widerstandes R1 wird der Gegenwirkleitwert (transconductance) des Transistors T- bei einer hohen Frequenz linearisiert und er kann, wenn gewünscht, über jeden Frequenzbereich durch ansich bekannte Mittel linearisiert werden. Die Einstellung dieses Schalters bestimmt daher, ob die Frequenzmodulation proportional zum Eingangssignal oder zum Logarithmus des Eingangssignales ist.
Ein Flip-Flop im Plättchen ICL 8038 steuert einen ersten Strom, der einen Kondensator Cj ladet, derart, daß wenn ein erster Schwillwert erreicht ist, der Flip-Flop tätig wird, um einen zweiten Strom einzuführen, der den Kondensator C2 auf einen zweiten Schwellwert entlädt. Die Periode wird dann wiederholt,
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um eine Dreieck-Wellenform zu erzeugen, deren Frequenz von der an den Anschluß 8 angelegten Spannung abhängt. Der Flip-Flop erzeugt einen Rechteckwellen-Ausgang, der an einen Ausgang "F.M. only" gelegt wird und die Dreiecks-Welle und eine hiervon abgeleitete Sinuswelle werden an zwei Pole eines Schalters S2 gelegt, der andererseits mit der Multiplizierschaltung 44 verbunden ist.
Ein zweites Potentiometer P3 steuert die Höhe des Eingangssignales, das an die Multiplizierschaltung 44 gelegt wird, die als Modulator mit unterdrückter Trägerwelle geschaltet ist und ein integriertes Plättchen (chip)ICL 8013 aufweist. Dieses Plättchen bewirkt die Amplitudenmodulation des frequenzmodulierten Ausganges durch Multiplikation des frequenzmodulierten Ausganges mit dem Eingangssignal. Effektiv verändert es den frequenzmodulierten Ausgang abhängig vom absoluten Wert des Eingangssignales, um eine Welle nach Fig. 1C zu erzeugen, wobei die Stärke des F.M/A.M.-modulierten Ausganges durch das Potentiometer P-, einstellbar ist.
Entweder der Dreieckswellen-Ausgang oder der Sinuswellen-Ausgang der Multiplizierschaltung 44 wird über den Schalter S2 an den Eingang eines Ausgangs-Verstärkers 46 gelegt. Alternativ kann ein Schalter S3 benutzt v/erden, um das Eingangssignal direkt an den Verstärker 4 6 zu legen. Dies ist vorteilhaft zum Vergleich des Eingangssignales mit dem frequenz/amplituden-modulierten Signal, insbesondere beim Lernen der Interpretierung des frequenz/ amplituden-modulierten Signales. Der Verstärker kann mit einem Lautsprecher, Kopfhörern oder einem Bandgerät oder auch zur sichtbaren Darstellung mit einem Oszilloskop verbunden sein. Wenn das Eingangssignal unter Verwendung des Schalters S3 direkt angelegt wird, arbeitet der Umformer als einfaches verstärktes Stethoskop und eignet sich beispielsweise zum Abhören von Kerztönen oder Unterwasser-Tönen und zur Fehlerdiagnose bei Maschinen und Motoren.
Abhängig von dem besonderen verwendeten Umwandler (transducer) ist
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eine Anzahl unterschiedlicher Eingangssignale verfügbar. Beispielsweise werden die vier E.K.G.-Elektroden normalerweise geschaltet, um die sieben Standard-E.K.G.-Signale zu liefern.
Ein Eingang zu dem Signalumformer ist ein Wählschalter 50 zum Wählen des gewünschten Eingangssignales oder zum Erzeugen einer gewünschten Kombination von Eingangssignalen. Vom Wählschalter 50 gehen die Signale zu einem Eingangsverstärker 52, der einen Differenzverstärker 51 aufweist, der eine schaltbare Verstärkung von 1 bis 1000 hat, ferner mit einem Verstärker 53, der eine schaltbare Verstärkung von 1 oder 10 hat, einem Netzfilter 54, (50 oder 60%) und einem kontunuierlich veränderlichen Verstärker 56.
In manchen Fällen ist es erwünscht, das Signal vor der Umformung zu modifizieren und zu diesem Zweck kann der. Umformer eines oder mehrere Hochpaßfilter 58, Tiefpaßfilter 60, Totzonenverstärker 6 und Schwellwertbegrenzer 64 (Fig. 3) aufweisen. Ferner können eine Differenzierschaltung und/oder eine Integrierschaltung im Eingangskreis vorgesehen und gegebenenfalls zugeschaltet werden. Es ist somit möglich, besondere Frequenzen nach Wunsch auszuwählen, beispielsweise die Bereiche von Null bis 2o Hz, von Null bis 200 Hz oder von 20 bis 200 Hz.
Der erfindungsgemäße Signalumformer eignet sich auf einer Vielzahl von Gebieten, insbesondere in der medizinischen Diagnostik. Er kann Teil einer tragbaren Einheit sein zum Überwachen, "Messen oder Aufzeichnen verschiedener Parameter. Er ist jedoch nicht nur auf das Gebiet der Medizin begrenzt, sondern auch für die Analyse anderer Signale, wie z.B. seismographische Wellen, Unterwasser-Signale, Maschinenrauschen usw. verwendbar.
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Claims (1)

  1. - 11 -
    Patentansprüche
    1.; Signalumformer, gekennzeichnet durch eine Frequenzquelle, die in einem gewählten Frequenzbereich arbeitet, um einen Ausgang zu erzeugen, dessen Frequenz sich entsprechend den Änderungen der Größe eines Eingangssignales ändert, ferner durch Einrichtungen zum Variieren der Amplitude des Ausganges der Frequenzquelle entsprechend den Änderungen des absoluten Wertes des Eingangssignales, derart, daß die Amplitude proportional zu dem absoluten VJert ist und daß sie Null ist, wenn der absolute Wert Null ist.
    Signalumformer, gekennzeichnet durch einen Frequenzmodulator, der in einem gewählten Frequenzbereich arbeitet, um einen Ausgang zu erzeugen, der durch ein Eingangssignal moduliert ist, ferner durch einen Amplitudenmodulator, der den Ausgang des Frequenzmodulators abhängig von dem absoluten Wert des Eingangssignales moduliert, wobei der Ausgang des Amplitudenmodulators Null ist, wenn der absolute Wert Null ist.
    Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzquelle ein spannungsgesteuerter Oszillator ist und daß die Einrichtung zur Veränderung der Amplitude einen Modulator mit unterdrückter Trägerwelle aufweist, der an den Ausgang des Oszillators angeschlossen ist und daß der Oszillator und der Modulator an das Eingangssignal angeschlossen sind.
    Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzquelle ein spannungsgesteuerter Oszillator ist und daß die Einrichtung zur Veränderung
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    der Amplitude eine analoge Multiplizierschaltung aufweist, die an den Oszillator und an einen Absolutwert-Schaltkreis angeschlossen ist, der ebenso wie der Oszillator mit dem Eingangssignal verbunden ist.
    5. Umformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolut-Wert-Schaltkreis einen Vollwellen-Gleichrichter aufweist.
    6. Umformer nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, g e kennzeichnet durch einen Schalter zwischen der Einrichtung zur Änderung der Amplitude und einer Ausgangsklemme, durch den das Eingangssignal direkt an die Ausgangsklemme anlegbar ist.
    7. Umformer nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um unabhängig die Höhe des Eingangssignales einzustellen, das an die Frequenzquelle und an die Einrichtung zur Änderung der Amplitude gelegt wird.
    8. Umformer nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang der Frequenzquelle wahlweise entweder logarithmisch oder linear mit den Veränderungen der Stärke des Eingangssignales veränderbar ist.
    9. Signalumformer, gekennzeichnet durch eine Frequenzquelle, die in einem gewählten Frequenzbereich arbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz abhängig von Änderungen der Größe eines Eingangssignales sich ändert, sowie durch Einrichtungen zum Ändern der Amplitude des Ausganges der Frequenzquelle in Abhängigkeit von Änderungen des Wertes des Eingangssignales.
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    10. Signalumformer, gekennzeichnet durch einen Frequenzmodulator, der in einem gewählten Frequenzbereich arbeitet, um einen Ausgang zu erzeugen, der durch ein Eingangssignal moduliert wird, sowie durch einen Amplitudenmodulator, der den Ausgang des Frequenzmodulators moduliert, abhängig von dem Viert des Eingangssignales.
    11. Umformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmodulator ein spannungsgesteuerter Oszillator und der Amplitudenmodulator eine Mischstufe ist, die mit dem Oszillator verbunden ist, und daß der Oszillator und die Mischstufe mit dem Eingangssignal verbunden sind.
    12. Diagnose-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Signalumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 11 sowie einen Umwandler zur Wiedergabe des Ausgangssignales in hörbarer Form aufweist.
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