DE2926165A1

DE2926165A1 - Referenzverstaerker zur trennung von gemeinsamen komponenten und nicht -gemeinsamen komponenten in n signalen

Info

Publication number: DE2926165A1
Application number: DE19792926165
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Rijksuniversiteit Groningen
Current assignee: Twente Medical Systems Bv Enschede Nl
Priority date: 1978-06-28
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1980-01-03
Anticipated expiration: 1999-06-29
Also published as: NL7806981A; NL187945C; NL187945B; DE2926165C2

Description

In der Praxis kommt das Problem auf, dass, wenn man Signale mit geringer
Intensität messen will, die Messung in ernster Weise dadurch gestört werden kann, dass die gemeinten Signale Stõrkomponenten enthalten, deren Intensität erheblich grösser als die der zu messenden Signale ist. Ein Beispiel davon findet man u.a. beim Messen von EEG-Signalen, wobei die störenden Komponenten eine Amplitude haben können, die um einige Grössenordnungen höher als die der zu messenden Komponente liegt.
Ein anderes mit diesem verwandtes Problem findet man beim Transportieren von Signalen uber ein Medium, dessen Informationsbandbreite beschränkt ist.
Wenn ueber einen bestimmten Teil des Bandes ein Signal ab ertragen werden muss, welches Signal nicht so sehr störende Komponenten enthält als wohl Komponenten, die auch in anderen Signalen, die transportiert werden mussen, vorkommen, ist es klar, dass die ueber eine Anzahl Kanäle ubertragene gemeinsame Information fur das Transportmedium uberflussig ist.
Durch gesondertes Transportieren der uberflussigen Information kann entweder die Qualität des Uebertragungssystems verbessert werden, oder die Anzahl Kanäle bei gleichbleibender gesamter Bandbreite vergrössert werden.
Es wird in den beiden oben geschilderten Fallen vorteilhaft sein, wenn man imstande ist, bei Signalen die gemeinsamen, d.h. störenden oder uberflussigen Komponenten von den verschiedenen, mehr insbesondere charakteristischen Komponenten zu trennen.
Der Zweck der Erfindung ist jetzt die Verschaffung einer Vorrichtung, mit der eine solche Trennung möglich ist. Mehr insbesondere bezweckt die Erfindung die Verschaffung einer Vorrichtung, mit der Signale mit kleiner Intensität, wie das obengenannte EEG-Signal, mit einer Grossen Genauigkeit und einer geringen Störempfindlichkeit, vorzugsweise sowohl quasi-unipolar wie bipolar gemessen werden können.
Dazu verschafft die Erfindung eine Vorrichtung, versehen mit einer Anzahl Eingängen und einer Anzahl Ausgängen, zum Trennen von gemeinsamen Komponenten und verschiedenen Komponenten der den Eingängen zuzufuhrenden Signale, wobei gemäss der Erfindung in jede sich zwischen einem Eingang und einem zugehörigen Ausgang erstreckende Signalbahn ein, einen Impedanztransformator umfassender Eingangsverstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor aufgenommen ist, wobei die Ausgänge dieser Eingangsverstärker mit mindestens einer Mittelwertbestimmungsvorrichtung gekuppelt sind, deren nieder-impedanter Ausgang mit einem Punkt jeder Bahn, liegend zwischen dem Eingang und dem Eingangsverstärker dieser Bahn, gekuppelt ist.
Die Erfindung wird im Nachstehenden unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigen: Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips; Fig. 2 ein detaillierteres Schema einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, wobei Instrumentationsverstärker benutzt werden; und Fig. 3 ein ähnliches Schema, wobei operationelle Verstärker angewendet werden.
In Fig. 1 ist ausschliesslich zur Erläuterung schematisch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung wiedergegeben. Diese Vorrichtung umfasst eine Anzahl Signalbahnen, von denen die Anzahl in Fig. 1 N beträgt. Weil alle Signalbahnen in gleicher Weise ausgebildet sind, wird nur eine Bahn näher erläutert.
Jede Bahn ist dabei mit einer Eingangsklemme 1 versehen, die uber einen Impedanztransformator 2 mit einem Verstärker 3 verbunden ist, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 4 der betreffenden Bahn verbunden ist. An die Eingänge der N Bahnen können verschiedene Eingangssignale, bezeichnet mit V1, V2...VN, angelegt werden. An den Ausgängen der verschiedenen Bahnen können die Ausgangssignale E18 E2 E3...EN abgenommen werden; an der Klemme 8 kann das im Nachstehenden definierte Vref abgenommen werden.
Wie aus dem Schema ersichtlich, besitzt jede Bahn zwischen dem Verstärker 3 und der Ausgangsklemme 4 desselben eine Abzweigung, wobei alle Abzweigungen von der Anzahl Bahnen nach einer Mittelwertbestimmungsvorrichtung 5 fuhren, deren Funktion Später erläutert wird. Der Ausgang dieser Mittelwertbestimmungsvorrichtung 5 ist uber einen Impedanztransformator 6 mit einem Punkt jeder Bahn, Liegend zwischen dem Impedanztransformator 2 und dem Verstärker 3 dieser Bahn, gekuppelt, wie schematisch bei 7 angegeben ist. Wenn man das Ausgangssignal des Impedanztransformators 6 mit Vref bezeichnet, wie in Fig. 1 bei einder gesonderten Klemme 8 angegeben, so kann hergeleitet werden, dass wobei i der Verstärkungsfaktor jedes Verstärkers 3 ist.
Für E gilt: Mit Hilfe von Ei und Vref kann in einer sehr einfachen Schaltung für jede individuelle Bahn ein sog. "guard"-Signal gemacht werden, das seinem V. identisch ist, im Gegensatz zu dem üblichen "guarding" mit der gemeinsamen Komponenten aller Signale.
Wenn jetzt angenommen wird, dass V. = Vi' + Vc, wobei V die in V. vorhandene 1 1 c 1 gemeinsame, z.B. überflüssige Information ist, wie oben erläutert, so gilt: Es stellt sich heraus, dass in dieser Gleichung für E. der Term in V nur mit 1 1 c dem Koeffizienten 1+α vorkommt, und daher je nachdemα grösser ist, einen verhältnismässig geringeren Wert hat. Der gemeinte Term verschwindet völlig, wenn bei einer bipolaren Eingangssignalmessung der Unterschied zwischen z.B.
Ei und E. bestimmt wird, weil dann gilt: Uij =ß (Ei-Ej) = (Vi - Vj ') wobei A der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers ist, dem E. und E. zugeführt werden.
3 Es ist auch möglich, E. und Vref einem Differentialverstärker mit einem Verstärkungsfaktor ß zuzuführen, in welchem Fall man eine quasi-unipolare Messung erhält, und zwar in folgender Form: In dieser Gleichung kommt das charakteristische Signal Vi' vor, vermindert mit dem mittleren Wert aller nicht-gemeinsamen womponenten der zu dem Vref beigetragenen Signale.
Es hat sich gezeigt, dass man gemäss diesem Prinzip bei einer Messung von z.B.
EEG-Signalen ein besonders gutes Resultat erhält. Ein anderer wichtiger Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist, dass deren Wirkung völlig unabgängig von der Anzahl, N, der in jedem beliebigen Augenblick beitragenden Signalquellen ist.
Man kann das obige Prinzipschema unter Anwendung von sog. Instrumentationsverstärkern verwirklichen.
Eine solche Ausfuhrungsform ist in Fig. 2 wiedergegeben. Man findet darin die oben definierten Elemente 1, 3, 4, 5, 6 und 8.
Zum Erhalten der obengenannten Grössen Uij bzw. Uii dienen die Differentialverstärker 9 und 10.
Da jedoch die Auswahlmöglichkeiten bei Instrumentationsverstärkern gering sind, empfiehlt es sich, sog. operationelle Verstärker anzuwenden. Dabei hat man eine grosse Entwurffreiheit zur Verwirklichung erfindungsgemässer Vorrichtungen verschiedener Qualität.
Eine solche mit operationellen Verstärkern arbeitende Vorrichtung gemäss der Erfindung ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Es wird angenommen, dass bei der in dieser Figur wiedergegebenen Schaltung, die Widerstände R alle einander gleich sind ebenso wie die Widerstände R' und die Widerstände Rr . Die gleichen Verstärkungsfaktoren OL der mit operationellen Verstärkern gebildeten, verstärkenden Impedanztransformatoren 3 kommen dadurch zustande, dass in jeder Bahn R' = (# -1) R gemacht wird. Um die Ausgangsspannung des operationellen Verstärkers nicht unendlich Gross bleiben zu lassen, kommt eine Einstellung zustande, wobei durch den Spannungsteiler, bestehend aus R und (a-1)R -1)R auch die Spannung auf dem invertierenden Eingang mit V. gleich gemacht wird, und also: oder aber: i (Vi-Vref) Ei reif ist.
Mittelwertbildung dieser Gleichung über die N verschiedenen Signale liefert dann ein rechtes Glied gleich null und also ist: Nach Eintragung davon in dieselbe Gleichung zeigt es sich, dass für jeden Ausgang gilt: Ebenso wie in dem eher betrachteten Fall wird V. = V.' + V angenommen 1 1 c Dies führt dazu, dass Man sieht, dass der Beitrag von V -mit dem Faktor Z vorknsst und daher, je c nachdem CC grösser ist, einen verhältnismässig geringeren Wert hat.
Der Term verschwindet bei einer bipolaren Messung, wenn der Unterschied zwischen z.B. Ei und E. bestimmt wird: Uij = ß(Ei - E.) =αß(Vi-Vj') wobei wieder der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers 9 ist, dem E. und E. zugeführt werden.
1 3 Wenn ebenso wie in dem eher betrachteten Fall E. und Vref einem Differentialverstärker 10 mit einem Verstãrkungsfaktor ß zugeführt wird, erhält man eine quasi-unipolare Messung: Es ist also klar, dass man bei dieser Verwirklichung dasselbe Resultat wie bei dem eher betrachteten theoretischen Fall erhält.
Es wird darauf hingewiesen, dass man, wenn man mit Instrumentationsverstärkern arbeitet, dafür sorgen muss, dass die Verstärkungsfaktoren < einander möglichst gleich sind, dass die Instrumentationsverstärker linear sind, dass zwischen den Bahnen eine gute Entkupplung vorhanden ist und dass die Eingangsimpedanzen hoch sind.
Wenn mit operationellen Verstärkern gearbeitet wird, gelten dieselben Anforderungen. Unterschiede in dem Wert der Widerstände R' bzw. R der verschiedenen Bahnen haben keinen Einfluss auf die gute Wirkung. Der Verstärkungsfaktor &, der ausschiesslich durch das Verhältnis zwischen den Widerständen R' und R bestimmt wird, muss jedoch in jeder Bahn gleich sein.
Dadurch steht die Möglichkeit offen, eine modulweise Konstruktion anzuwenden, wobei die Abregelung von.' für einen einzigen Modul keinen Einfluss auf die für jeden anderen Modul hat. Die einzige Wechselwirkung zwischen den Signalbahnen läuft ja über die Mittelwertbestimmungsvorrichtung, was völlig auf nieder-impedantem Niveau erfolgt.
Für beide Anwendungsweisen kann derselbe Typ Mittelwertbestimmungsvorrichtung angewendet werden, wobei die Anforderungen sind, dass (zumal bei Anwendung für eine quasi-unipolare Messung) die Widerstände Rr möglichst gleich sind und gleiche Temperaturkoeffizienten haben, und dass der Impedanztransformator 6 ein, im Verhältnis zu der Parallelschaltung von N Widerständen Rr, eine sehr hohe Impedanz hat und gut entkuppelt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Genauigkeit der ganzen Vorrichtung von der Qualität der angewendeten operationellen Verstärker 3 abhängig ist.
Wenn grosse Unterschiede in der spezifischen Komponente von Gruppen Eingangssignalen vorhanden sind, wie das der Fall ist, wenn sowohl EEG-Signale als auch z.B. EMG-Signale gemessen werden, kann es nützlich sein, für diese Gruppen Signale gesonderte Mittelwertbestimmungsvorrichtungen anzuwenden. Dadurch wird vermieden, dass eine Vermischung von spezifischen EEG-Signalen mit EMG-Signalen und umgekehrt von spezifischen EMG-Signalen mit EEG-Signalen entsteht. Weil der Signaltransport zwischen Eingangsverstärker und Mittelwertbestimmungsvorrichtung in nieder-impedantem Niveau erfolgt, kann durch einen 2-poligen Schalter pro Eingangsverstärker eine Wahl getroffen werden, an welche Mittelwertbestimmungsvorrichtung dieser Eingangsverstärker oder diese Gruppen von Eingangsverstärkern angeschlossen wird bzw. werden.
Es muss dafür gesorgt werden, dass sowohl der Eingang wie der Ausgang eines Eingangsverstärkers an dieselbe Mittelwertbestimmungsvorrichtung angeschlossen wird.
Leerseite

Claims

Referenzverstärker zur Trennung von gemeinsamen Komponenten und nicht-gemeinsamen Komponenten in N Signalen.

PATENTANSPRÜCHE QJÖvorric#tung, versehen mit einer Anzahl Eingangen und einer Anzahl Ausgängen zum Trennen von gemeinsamen Komponenten und verschiedenen Komponenten der den Eingängen zuzuführenden Signale, dadurch gekennzeichnet, dass in jede sich zwischen einem Eingang und einem zugehorigen Ausgang erstreckende Signalbahn ein, einen Impedanztransformator umfassender Eingangsverstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor aufgenommen ist, wobei die Ausgänge dieser Eingangsverstärker mit mindestens einer Mittelwertbestimmungsvorrichtung gekuppelt sind, deren nieder-impedanter Ausgang mit einem Eingang jedes Eingangsverstärkers gekuppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Eingangsverstärker aus einem Instrumentationsverstarker besteht, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Eingang der zugehörigen Bahn und der invertierende Eingang mit dem Ausgang der Mittelwertbestimmungsvorrichtung verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Eingangsverstärker aus einem operationellen Verstärker besteht, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Eingang der zugehörigen Bahn und der invertierende Eingang mit dem Ausgang der Mittelwertbestimmungsvorrichtung verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbestimmungsvorrichtung ein Widerstandsnetzwerk mit einem darauf folgenden Impedanztransformator umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk der Mittelwertbestimmungsvorrichtung eine beliebige Anzahl Widerstände umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Anzahl Eingangsverstärker an die Mittelwertbestimmungsvorrichtung angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsverstärker modular aufgebaut sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl Mittelwertbestimmungsvorrichtungen anwesend ist, wobei der Eingang eines Eingangsverstärkers mit dem Ausgang der Mittelwertbestimmungsvorrichtung verbunden ist, mit deren Eingang der Ausgang dieses Eingangsverstärkers verbunden ist.