DE3721494A1 - Schaltungsanordnung zum verstaerken und umwandeln einer signalspannung in eine rechteckspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zum verstaerken und umwandeln einer signalspannung in eine rechteckspannung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung, die aus der Summe einer Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, in eine Rechteckspannung.
Es ist bekannt, bei Operationsverstärkern mit zwei Eingängen dem einen Eingang eine Signalspannung und dem anderen Eingang eine Referenzspannung zuzuführen, mit dem der Arbeitspunkt des Verstärkers richtig eingestellt werden kann. Das bereitet keine Probleme, solange der Mittelwert der Signalspannung konstant ist oder sich im Verhältnis zu ihrer Amplitude nur wenig ändert.
Wenn sich jedoch der Gleichspannungsanteil in der Größenordnung des Spitze-Spitze-Wertes der Wechselspannung ändert, entsteht eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und der Rechteckspannung mit einer Änderung des Tastverhältnisses. Im Grenzfall liefert der Operationsverstärker nur noch eine Gleichspannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, mit der diese Nachteile vermieden werden und die zugeführte Signalspannung auch bei einem stark schwankenden Gleichspannungsanteil immer richtig verarbeitet wird, so daß am Ausgang eine Rechteckspannung mit annähernd konstantem Tastverhältnis entsteht, deren Frequenz der Frequenz der in der zugeführten Signalspannung enthaltenen Wechselspannung entspricht. Ferner soll für den Fall des Aussetzens dieser Wechselspannung erkennbar sein, ob diese nach einem ansteigenden oder nach einem abfallenden Verlauf ausgesetzt hat.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Arbeitspunkt des 0perationsverstärkers selbsttätig immer in der Mitte des Wechselspannungsanteils verbleibt, auch wenn der Gleichspannungsanteil der zugeführten Signalspannung stark schwankt, und daß dadurch die abgegebene Rechteckspannung immer die gewünschte Form aufweist und daß beim Aussetzen der Wechselspannung die abgegebene Rechteckspannung je nachdem, ob das Aussetzen nach einem ansteigenden oder nach einem abfallenden Spannungsverlauf erfolgt ist, entweder auf ihrem maximalen oder auf ihrem minimalen Wert stehenbleibt. Damit kann bei einer Verwendung der Schaltungsanordnung zum Messen der Atemlufttemperatur bzw. zur Atemüberwachung festgestellt werden, ob ein etwaiger Atemstillstand nach einem Einatmen oder nach einem Ausatmen erfolgt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltbild gemäß der Erfindung und
Fig. 2 Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 1.
Ein Komperator 2 mit zwei Eingängen (+, -) und einem Ausgang erhält an seinem invertierenden Eingang (-) über einen Vorwiderstand 11 vom Ausgang einer niederohmigen Spannungsquelle 1 eine zu verstärkende Signalspannung u 1, deren Gleichspannungsanteil mit einer Amplitude schwankt, die etwa so groß ist wie die Amplitude der Wechselspannung.
Die niederohmige Spannungsquelle 1 kann zum Beispiel ein Emitterfolger oder ein über einen Spannungsteiler 12, 14 gegengekoppelter Operationsverstärker sein, an dessen Eingang (+) die zu verstärkende Signalspannung anliegt, die zum Beispiel von einem Spannungsteiler herrührt, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand 8 und einem weiteren Widerstand 9 besteht. Die zu messende Temperatur kann zum Beispiel die Temperatur der Atemluft eines Menschen sein, wobei dieser temperaturabhängige Widerstand 8 neben den Schwankungen der Temperatur der Atemluft auch der langsam sich ändernden Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, was zu der Signalspannung u 1 führt.
Der Ausgang der diese Signalspannung u 1 liefernden niederohmigen Spannungsquelle 1 ist nicht nur mit dem invertierenden Eingang (-) des Komperators 2 verbunden, sondern auch über einen Tiefpaß 3, 4, 7 und einen über einen Spannungsteiler 13, 15 gegengekoppelten Trennverstärker 5 mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Komperators 2, wobei der Tiefpaß 3, 4, 7 mindestens den Gleichspannungsanteil der Signalspannung u 1 durchläßt. Durch Bildung der Differenz zwischen den den beiden Eingängen (+, -) des Komperators 2 zugeführten Spannungen, also u1-u2, wird in diesem nur die reine Wechselspannung, also ohne die schwankende Gleichspannung, verstärkt. Für den Fall fehlender Rückkopplung würde dann am Ausgang des Komperators 2 die entsprechend verstärkte Wechselspannung u 3 erscheinen, die wegen des hohen Verstärkungsfaktors oben und unten begrenzt wäre.
Über einen Rückkopplungswiderstand 10, der zusammen mit einem Widerstand 6 einen Spannungsteiler bildet, wird ein Teil der Ausgangsspannung u 3 an den nicht invertierenden Eingang (+) des Komperators 2 zurückgeführt, so daß dieser wie ein bistabiler Multivibrator mit Hysterese arbeitet und dadurch an seinem Ausgang die gewünschte Rechteckspannung liefert, deren Frequenz mit der Frequenz der in der Signalspannung u 1 enthaltenen Wechselspannung übereinstimmt und die zusätzlich in Abhängigkeit von der Richtung des Verlaufs dieser Wechselspannung im Zeitpunkt ihres Aussetzens entweder ihren maximalen oder ihren minimalen Wert beibehält. Der durch den Spannungsteiler 10, 6 entstehende Verlust für die Spannung u 2 kann durch entsprechende Wahl des die Gegenkopplung des Trennverstärkers 5 bestimmenden Spannungsteilers 13, 15 ausgeglichen werden.
Der Tiefpaß 3, 4, 7 ist aus einem Längswiderstand 3 und einem Querzweig aufgebaut, der aus einer Serienschaltung aus einem Kondensator 7 und einem weiteren Widerstand 4 besteht. Die Grenzfrequenz dieses Tiefpasses 3, 4, 7 liegt zum Erzielen eines schnellen Einschwingens bei Änderung des Gleichspannungsanteils u 2 in der Größenordnung der Frequenz der Signalspannung u 1, wobei mit dem in Serie zum Kondensator 7 angeordneten Widerstand 4 die Phasenverschiebung zwischen der Rechteckspannung u 3 und der Signalspannung u 1 bestimmt werden kann.
Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in Fig. 2 die sich an den entsprechend gekennzeichneten Stellen des Schaltbildes ergebenden Spannungsverläufe dargestellt.
Fig. 2a zeigt die aus der Wechselspannung und der schwankenden Gleichspannung u 2 zusammengesetzte Signalspannung u 1.
Fig. 2b zeigt die am Eingang des Komperators 2 stehende Spannung u 1-u2 sowie die Schwellenspannungen +U z und -U z , die der Hysterese entsprechen und angeben, bei welchem Spannungswert der Komperator 2 jeweils in die andere Richtung umkippt.
Fig. 2c zeigt die Ausgangsspannung u 3 des Komperators 2. Durch die gestrichelten Linien zwischen den Fig. 2b und 2c wird deutlich, daß die Impulsflanken der Ausgangsspannung u 3 und die Schnittpunkte der Spannung u 1-u2 mit der Schwellenspannung +U z bzw. -U z zeitlich zusammenfallen.
Ferner ist in Fig. 2b durch aus Kreisen und Kreuzen gebildete Linien das Verhalten der Spannung u 1-u2 beim Aussetzen der Spannung u 1 nach einem ansteigenden und nach einem abfallenden Verlauf dargestellt. Da die Spannung u 1-u2 nach dem Aussetzen der Spannung u 1 weder die positive Schwellenspannung +U z noch die negative Schwellenspannung -U z überschneiden kann, wie in Fig. 2b zu sehen ist, kann der Komperator 2 seine Ausgangsspannung u 3 nicht mehr von dem negativen auf den positiven Pegel oder umgekehrt umschalten und behält seinen jeweils letzten Pegel bei. Die zugehörigen durch Kreise und Kreuze gebildeten Linien in der Fig. 2c zeigen, daß die Spannung u 3 beim Aussetzen der Spannung u 1 nach einem ansteigenden Verlauf einen negativen Pegel und beim Aussetzen nach einem abfallenden Verlauf einen positiven Pegel beibehält. Damit kann zum Beispiel bei einer Atemüberwachung erkannt werden, ob ein etwaiger Atemstillstand nach einem Einatmen oder nach einem Ausatmen erfolgt ist.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung, die aus der Summe einer Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, in eine Rechteckspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer die Signalspannung (u 1) liefernden Spannungsquelle (1) sowohl mit dem invertierenden Eingang (-) eines Komperators (2) als auch über einen mindestens die schwankende Gleichspannung (u 2) durchlassenden Tiefpaß (3, 4, 7) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Komperators (2) verbunden ist, daß ferner der Ausgang des Komperators (2) über einen Rückkopplungswiderstand (10) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Komperators (2) und dieser über einen Vorwiderstand (6) mit dem Ausgang des Tiefpasses (3, 4, 7) verbunden ist, wobei an dem Ausgang des Komperators (2) die Rechteckspannung (u 3) abnehmbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Tiefpasses (3, 4, 7) und dem Vorwiderstand (6) ein gegengekoppelter Trennverstärker (5) eingefügt ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (3, 4, 7) aus einem Längswiderstand (3) und einem Querzweig aufgebaut ist, der aus einer Serienschaltung aus einem Kondensator (7) und einem weiteren Widerstand (4) besteht und daß die Grenzfrequenz des Tiefpasses (3, 4, 7) in der Größenordnung der Frequenz der Signalspannung (u 1) liegt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (1) ein Emitterfolger oder ein gegengekoppelter Operationsverstärker ist, an dessen Eingang (+) die zu verstärkende Signalspannung anliegt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verstärkende Signalspannung einem Spannungsteiler (8, 9) entnehmbar ist, der einen temperaturabhängigen Widerstand (8) aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (8) der Atemluft eines Menschen ausgesetzt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0559459A1 (de) * 1992-03-04 1993-09-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Signalübertragungsschaltkreis

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JPS5761330A (en) * 1980-09-30 1982-04-13 Toshiba Corp Wave-form conversion circuit

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