DE2825327C2

DE2825327C2 - Vorrichtung zur Erzeugung einer der Folge von Pulsschlägen entsprechenden Impulsfolge

Info

Publication number: DE2825327C2
Application number: DE2825327A
Authority: DE
Inventors: Michael F. Dipl.-Ing. 6763 Obermoschel Teichmann
Original assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Current assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Priority date: 1978-06-09
Filing date: 1978-06-09
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE2825327B1; JPS54162882A; US4287894A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer der Folge von Pulsschlägen einer Person entsprechenden Folge von Impulsen mit einem Pulsaufnehmer und wenigstens einer diesem nachgeordneten Stufe zur Unterdrückung von Störeinflüssen.

Es ist bekannt, Störeinflüsse in Form von Störsignalen

mit Hilfe von Filtern zu unterdrücken. Weiterhin ist es bekannt die vom Pulsaufnehmer kommenden Signale mit Hilfe von Verstärkern, deren Verstärkung steuerbar ist von Störsignalen zu trennen. Störeinflüsse können ί aber auch dazu führen, daß die den Pulsschlägen entsprechenden Signale vollständig oder unvollständig unterdrückt werden. Insbesondere bei der Pulsaufnahme am Ohrläppchen einer Person können M"skelanspannungen dazu führen, daß der Pulsaufnehmer keine

ι« den Pulsschlägen entsprechenden Impulse abgibt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer der Folge von Pulsschlägen einer Person entsprechenden Folge von impulsen zu schaffen, die besser als die bekannten

!■> λ orrichtungen dieser Art in der Lage ist, Störeinflüsse zu unterdrücken. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen spannungsgesteuerten Taktgenerator, der von einem Komparator gesteuert ist welcher den Inhalt von zwei Speichern vergleicht von denen der

2» erste die vom Pulsaufnehmer kommenden Impulse und der zweite die am Ausgang des Taktgenerators auftretenden Impulse vorübergehend speichert

Der spannungsgesteuerte Taktgenerator liegt hierbei in einem Regelkreis, weshalb die Frequenz seiner Ausgangsimpulse ständig auf die Frequenz der vom Pulsaufnehmer kommenden Impulse eingeregelt wird. Fällt einer oder mehrerer dieser Impulse aus, dann steht in diesem Zeitraum der im Speicher gespeicherte Wert zur Bildung der Stellgröße zur Verfügung, wodurch

JO verhindert wird, daß sich diese Störung auf die Impulsfrequenz am Ausgang des spannungsgesteuerten Generators auswirken kann.

Muß mit kurzzeitigen Störungen gerechnet werden, deren Frequenz einer oberhalb eines Grenzwertes

^s'· liegenden Pulsfrequenz entspricht, dann kann in einfacher Weise durch eine Begrenzung der Speicherfähigkeit der beiden Speicher verhindert werden, daß sich die Impulsfrequenz am Ausgang des spannungsgesteuerten Taktgenerators entspreciiend erhüht

⁴⁽J Um möglichst schnell jedesmal beim Eintreffen eines einem Pulsschlag entsprechenden Impulsen eine eventuell vorhandene Abweichung der Ausgangsfrequenz des Taktgenerators ausregeln zu können, ist jedem der beiden Speicher wenigstens eine die diesem zugeführte Impulsfolge mit dem gleichen Faktor vervielfachende Vervielfacherstufe vorgeschaltet, welche synchronisiert werden. Hierzu können die beiden Vervielfacherstufen von einem Synchropisationsimpulse erzeugenden Generator gesteuert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Pulsaufnehmer ein Operationsverstärker nachgeschaltet, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Kondensator mit Masse verbunden ist und dessen beide Eingänge, denen Widerstände gleicher Größe vorge-

w schaltet sind, gleichzeitig mit den gleichen, vom Pulsaufnehmer kommenden Signalen angesteuert werden. Durch diese Verstärkerbeschaltung erhält man eine schwimmende Triggerschwelle, wodurch erreicht wird, daß Signale unterhalb der Schwelle nicht zum ^b0 Verstärkerausgang gelangen und alle Signale oberhalb dieser Schwelle auf einen maximalen Wert verstärkt werden.

Störungen, wie sie beispielsweise bei heftigen Körperbewegungen auftreten können, können zu einem ^ftj sehr hohen Gleichspannungsanteil der Impulse führen. Um diese Störeinflüsse zu unterdrücken, kann man dem Pulsaufnehmer einen Operationsverstärker nachschal ten, dessen nichtinvertierender Eingang von den vom

Pulsaufnehmer kommenden Signalen angesteuert wird und dessen invertierender Eingang über einen Kondensator mit Masse verbunden ist

Hierdurch wird eine Verstärkung des Gleichspannungsanteils vermieden. Vorzugsweise wird dieser Operationsverstärker zwischen dem Pulsaufnehmer und dem eine schwimmende Triggerschwelle bildenden Operationsverstärker angeordnet

Bei einer Pulsabnahme am Ohrläppchen oder am Finger kann die von Person zu Person verschiedene Durchlässigkeit oder Reflexionsfähigkeit für die vom Sender ausgehenden Signale sehr verschieden sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist deshalb der Pulsaufnehmer einen lichtempfindlichen Empfänger auf, der einen von einem Regler gesteuerten Arbeitspunkt hat. Hierdurch wird erreicht, daß die Ausgangsimpulse des Pulsaufnehmers in ihrer Höhe unabhängig sind von den unterschiedlichen Pulsaufnahmebedingungen.

In besonders einfacher Weise ist die Stabilisierung des Arbeitspunktes mit Hilfe eines Reglers möglich, der den Arbeitspunkt des durch einen Fototransistor gebildeten Empfängers über einen mit dem Fo*otrans^;-stor in Reihe geschalteten Feldeffekttransistors in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangssignale des Empfängers steuert

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung einer der Folge von Pulsschlägen einer Person entsprechenden Folge von Impulsen weist einen an das Ohrläppchen oder den Finger einer Person ansetzbaren Pulsaufnehmer auf, der aus einem Sender 1 und einem Empfänger 2 besteht, die im Ausführungsbeispiel optoelektrisch arbeiten. Der Sender 1 wird durch eine Leuchtdiode gebildet die einen Lichtstrahl konstanter Intensität auf die Gefäße im Ohrläppchen oder im Finger richtet. Selbstverständlich könnte, wenn mit Störlicht gerechnet oder Energie gespart werden muß, für den Sender 1 ein Impulsbetrieb vorgesehen werden. Die Intensität des Lichtstrahls wird einerseits in Abhängigkeit vom Pulsschlag durch die Gefäße, durch die er hindurchgeht oder an denen er reflektiert wird, moduliert Andererseits wird seine Intensität in einem bei den einzelnen Personen unterschiedlichen Maße, beispielsweise wegen der unterschiedlichen Dicke des Ohrläppcnens oder des Fingers, vermindert. Um diese personenspezifischen Unterschiede zu kompensieren und damit am Ausgang des Empfängers bei alten Personen Signale etwa gleicher Höhe zu erhalten, ist mit der Kollektor-Emitter-Strecke des als Fototransistor ausgebildeten Empfängers 2 ein Feldeffekttransistor 3 in Reihe geschaltet, dessen Steuerelektrode an einen Regler 4 angeschlossen ist, dem das Ausgang-ssignal des Empfängers 2 zugeführt wird. Der Regler 4 stellt unabhängig von der Dicke des Ohrläppchens oder des Fingers den Fototransistor immer auf den gleichen Arbeitspunkt ein.

Die Ausgangssignale des Empfängers 2 werden mittels eines ersten Verstärkers 5 verstärkt, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Operationsverstärker handelt, dessen invertierender Eingang, zu dem der Ausgang zurückgeführt ist, über einen ohmschen Widerstand mit Masse verbunden ist. Der erste Verstärkers ist als Bandpaßfilter ausgebildet.

Auf den ersten Verstärker 5 folgt eine zweite Verstärkerstufe 6, deren Operationsverstärker anstelle eines ohmschen Anschlußwiderstandes einen Kondensator 7 hat Der Kondensator, der einerseits mit Masse verbunden ist, ist andererseits an den invertierenden Eingang angeschlossen, der über einen Widerstand mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist Die Ausgangssignaie der zweiten Verstärkerstufe 6 werden über ein Bandpaßfilter 8 einer dritten Verstärkerstufe 9 zugeführt Die Verstärkung der Signale erfolgt in dieser Stufe ebenfalls mit Hilfe eines Operationsverstärkers. Im Gegensatz zu den Opera-

Hi tionsversiärkern der vorhergehenden Stufen ist hier jedoch jedem der beiden Eingänge ein Widerstand 10 vorgeschaltet Diese beiden Widerstände 10, die gleiche Größe haben, sind andererseits mit dem Ausgang des Bandpaßfilters 8 verbunden, so daß dessen Ausgangssi-

■ö gnale gleichzeitig die beiden Eingänge des Operationsverstärkers ansteuern. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers der Verstärkerstufe 9 ist über einen Kondensator 11 mit Masse, der invertierende Eingang über einen Widerstand mit dem Ausgang des

2i) Operationsverstärkers verbunden. Durch diese Beschaltung des Operationsverstärkers e.i.alt dieser eine schwimmende, d. h. sich signalabhängig verschiebende Triggerschwelle, wodurch Signale unterhalb eines vorbestimmten Spannungswertes nicht zum Ausgang

γ-, der Verstärkerstufe 9 gelangen können und Signale oberhalb dieses Spannungswertes auf einen maximalen Wert verstärkt werden. Die dritte Verstärkerstufe 9 verhält sich somit ähnlich einem Schnitt-Trigger, unterscheidet sich von diesem aber durch ihre

m schwimmende Triggerschwelle. Im Ausführungsbeispiel werden nur Signale oberhalb 1,2 Vss verstärkt Darunter liegende Signale werden unterdrückt Ein Vorteil der dritten Verstärkerstufe 9 besteht ferner darin, daß die Eingangssignale einen positiven oder einen negativen Gleichspannungsanteil bis zur Höhe der Versorgungsspannung aufweisen können, ohne daß diese Stufe ihre speziellen Verstärkereigenschaften verliert Die Empfindlichkeit der dritten Verstärkerstufe 9 ist von der Größe des Kondensators 11 abhängig.

■to Der dritten Verstärkerstufe 9 ist ein Schmitt-Trigger 12 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignaie einen Verstärker 13 steuern, der seinerseits eine Leuchtdiode 14 ansteuert Da jeder Ausgangsimpuls durch die R-Zacke der den Pulsschlägen entsprechender Pulssignale erzeugt wird, leuchtet die LeuchJdiode 14 im Rhythmus des Auftretens der R-Zacken auf, was den Schlagrhythmus des Herzens wiedergibt.

Die Ausgangsimpulse des Schmitt-Triggers 12 werden nicht nur dem Verstärker 13 zugeführt, sondern

v) auch einer ersten Multiplizierschaltung 15, der unter Zwischenschaltung •'iines Schmitt-Triggers 16 eine zweite Multiplizierschaitung 17 nachgeschaltet ist. Die mit Hilfe dieser beiden N'ultiplizierschaltungen 15 und 17 snxichte Impulsvervielfachung könnte selbstver-

>> ständlich auch mit einer einzigen Schaltung erreicht werden. Im Ausfuhrungsbeispiel verdoppein beide Multiplizierschaltungen die Zahl der Eingangsimpulse. Durch die Impulsvtrvielfachung erreicht man schon im unteren Frequenzbereich eine gleichmäßige Spannung.

ίο Der zweiten Multiplizierschaltung 17 ist ein erster Speicher 18 nachgeschaltet, welcher die Impulse etwa 3 Sekunden zu speichern vermag. Die Speicherfähigkeit ist aber begrenzt, damit kurzzeitige Störungen, die Pulsfrequenzen oberhalb einer vorgegebenen Grenze

μ von beispielsweise ?60 Pulsschlägen pro Minute ergeben, wegen mangelnder Speicherfähigkeit unterdrückt werden.

Der Ausgang des ersten Speichers ist mit dem einen

Eingang eines !Comparators 19 verbunden, der einen ihm nachgcschalteten, spannungsgesteuerten Taktgenerator 20, auch VCO genannt, steuert. Die Frequenz der vom Taktgenerator 20 erzeugten Impulse ist abhängig von dem vom Komparator 19 kommenden Signal. Aufgrund der vom Taktgenerator 20 erzeugten Impulse kann die Zahl der Pulsschläge pro Minute ermittelt und, beispielsweise auf einem Display, angezeigt werden. Ist eine Mittelwertbildung erwünscht oder erforderlich, dann können die Ausgangssignale des Taktgenerators 20 beispielsweise einem Rechner zugeführt werden, welcher die Mittelwertbildung vornimmt.

Die am Ausgang des Taktgenerators 20 auftretenden Impulse werden, wie das Schaltbild zeigt, auch einer dritten Multiplizierschaltung 21 zugeführt, welche wie die erste Multiplizierschaltung 15 die Zahl der Impulse verdoppelt. Über einen nachgeschalteten Schmitt-Trigger 25 werden diese Impulse einer vierten Multiplizierschaltung 22 zugeführt, welche nochmals eine Impulsverdopplung bewirkt. Wie die Multiplizierschaltungen 15 und 17 könnten auch die Multiplizierschaltungen 21 und 22 durch eine einzige Multiplizierschaltung ersetzt werden. Ein Synchronisiergenerator 23 synchronisiert die zweite Multiplizierschaltung 17 mit der vierten Multiplizierschaltung 22. Eine derartige Synchronisation ist erforderlich, da die beiden Impulsreihen, welche mit Hilfe der Multiplizierschaltungen erzeugt werden, synchronisiert sein müssen und Impulse gleicher Höhe und Breite haben müssen. Nur dann ist der Komparator 19 in der Lage, die beiden Frequenzen zu vergleichen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt nämlich die Speicherung der am Ausgang der zweiten Multiplizierschaltung J 7 auftretenden Impulse in Form einer Integration im ersten Speicher 18. Entsprechend intregiert ein zweiter Speicher 24, welcher der vierten Multiplizierschaltung 22 nachgeschaltet ist, die von dieser erzeugten Impulse. Der zweite Speicher 24 ist mit dem zweiten Eingang des KümpäfäiOrS 19 verbünden, so daß dieser den

Speicherinhalt und damit die Frequenzen der vom Pulsaufnehmer kommenden Impulsfolge mit der Frequenz der am Ausgang des Taktgenerators 20 auftretenden Impulsfolge vergleichen kann. Stellt der Komparator 19 eine Abweichung fest, dann wird diese durch eine Änderung der Frequenz des Taktgenerators 20 ausgeregelt, und zwar wegen der Vervielfachung der vom Pulsaufnehmer kommenden Impulse in sehr kurzer Zeit. Infolge der Rückführung der Ausgangsgröße des Taktgenerators 20 hat man einen geschlossenen Regelkreis, in dem sehr rasch Abweichungen der Impulsfrequenz am Ausgang des Taktgenerators 20 von der Impulsfrequenz am Ausgang des ersten Speichers 18, welche der Herzimpulsfrequenz proportional ist, ausgeregelt werden. Bei sog. Pulsaussetzern, d. h. beim Ausfall von Impulsen des Empfängers 2, wie sie vor allem bei einer Pulsabnahme am Ohrläppchen infolge Muskelanspannungen auftreten können, wird jedoch die Impulsfrequenz des Taktgenerators 20 nicht heruntergeregelt, falls der Zeitraum, in dem der Empfänger keine Impulse erzeugt, nicht größer als etwa 3 Sekunden ist. Die Speicher 18 und 24 können nämlich den zuletzt gültigen Wert etwa 3 see. speichern, und diese gespeicherten Werte werden solange dem Komparator 19 zugeführt, bis neue Werte vorliegen oder die maximale Speicherzeit überschritten worden ist. Kurzzeitige Störungen in Form von Pulsaussetzern werden deshalb vollständig unterdrück.

Die Genauigkeit des Komparator 19 und die Regelgüte des Regelkreises sind im Ausführungsbeispiel so gewählt, daß Abweichungen von einem Pulsschlag pro Minute noch ausgeregelt werden. Der Regelbereich erstreckt sich von 30 Pulsschlägen pro Minute bis 260 Pulsschlägen pro Minute.

Infolge der verschiedenen Maßnahmen zur Unterdrückung von Störeinflüssen ist die am Ausgang des Taktgenerators 20 abnehmbare Impulsfrequenz praktisch frei von Störungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer der Folge von Pulsschlagen einer Person entsprechender Folge von Impulsen mit einem Pulsaufnehmer und wenigstens einer diesem nachgeordneten Stufe zur Unterdrückung von Störeinflüssen, gekennzeichnet durch einen spannungsgesteuerten Taktgenerator (20), der von einem Komparator (19) gesteuert wird, welcher den Inhalt von zwei Speichern (18, 24) vergleicht, von denen der erste (18) die vom Pulsaufnehmer (1, 2) kommenden Impulse und der zweite (24) die am Ausgang des Taktgenerators (20) auftretenden Impulse vorübergehend speichert

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Speicher (18, 24) wenigstens eine die ihm zugeführte Impulsfolge mit dem gleichen Faktor vervielfachende Vervielfacherstufe (15,17,^1,22) vorgeschalltet ist

3. Vorrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Speichern (18, 24) vorgeschalteten Vervielfacherstufen (17, 22) von einem Synchronisatotionsimpulse erzeugenden Generator (23) gesteuert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkapazität der beiden Speicher (18, 24) auf einen der oberen Grenze der Herzpulsfrequenz entsprechenden Wert begrenzt ist

5. Vorrichte g nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß d««n Impulsaufnehmer (1,2) ein Operationsverstärker (9) nachgeschaltet ist, dessen nichtinvertierender Einfang über einen Kondensator (11) mit Masse verbunden ist und dessen beide Eingänge, denen Widerstände (10) gleicher Größe vorgeschaltet sind, gleichzeitig mit den gleichen, vom Pulsaufnehmer kommenden Signalen angesteuert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulsaufnehmer (1, 2) ein Operationsverstärker (6) nachgeschaltet ist, dessen nichtinvertierender Eingang von den vom Pulsaufnehmer kommenden Signalen angesteuert wird und dessen invertierender, mit dem Ausgang verbündener Eingang über einen Kondensator (7) mit Masse verbunden ist

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsaufnehmer einen lichtempfindlichen Empfänger (2) mit von einem Regler (4) gesteuertem Arbeitspunkt aufweist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) den Arbeitspunkt des durch einen Fototransistor gebildeten Empfängers (2) über einen mit dem Fototransistor in Reihe geschalteten Feldeffekttransistors (3) in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangssignale des Empfängers (2) steuert