DE3721494C2

DE3721494C2 -

Info

Publication number: DE3721494C2
Application number: DE19873721494
Authority: DE
Inventors: Siegbert Dipl.-Ing. Foerster (Fh), 8501 Rosstal, De
Original assignee: Metz Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Metz Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1987-06-30
Publication date: 1990-09-13
Also published as: DE3721494A1

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.

Soll jedoch eine Signalspannung verarbeitet werden, die aus der Summe einer Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht und die mit ihrer Amplitude den Operationsverstärker nahezu vollständig aussteuert, dann kann der Operationsverstärker die Signalspannung nur dann richtig verarbeiten, wenn die Referenzspannung etwa der Gleichspannung entspricht. Ist das nicht der Fall, wird der Operationsverstärker durch die von der Referenzspannung stark abweichende Gleichspannung in die Begrenzung gefahren, wodurch die Wechselspannung mindestens teilweise unterdrückt wird und diese am Ausgang des Operationsverstärkers nicht mehr vollständig erscheint.

Aus der JP-OS 57-61330 ist eine Schaltung bekannt, bei der eine Signalspannung, die aus der Summe einer sinusförmigen Wechselspannung und einer schwankenden Gleichspannung besteht, sowohl dem nicht invertierenden Eingang (+) eines Komparators als auch - über einen Tiefpaß - dem invertierenden Eingang (-) dieses Komparators zugeführt wird, um dem Ausgang eine Rechteckspannung zu entnehmen, die von der schwankenden Gleichspannung befreit ist. Bei geringerer Aussteuerung dieses bekannten Komparators könnte seinem Ausgang auch eine von der schwankenden Gleichspannung befreite sinusförmige Wechselspannung entnommen werden.

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen nach jedem Aussetzen der Wechselspannung festgestellt werden soll, in welcher Richtung die Wechselspannung im Zeitpunkt des Aussetzens gerade verlief. Diese Möglichkeit bietet der bekannte Komparator nicht, denn bei diesem hängt es nur von den Streuungen der in ihm enthaltenen Halbleiterelemente ab, auf welchen Pegel ("low" oder "high") sich der Ausgang einstellt, wenn die Wechselspannung aussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Komparatorschaltung so zu verbessern, daß sie folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt:

a) die zugeführte Signalspannung soll auch bei einem stark schwankenden Gleichspannungsanteil immer richtig verarbeitet werden, so daß am Ausgang eine Rechteckspannung erscheint, deren Frequenz der Frequenz der in der zugeführten Signalspannung enthaltenen Wechselspannung entspricht,
b) für den Fall des Aussetzens der Wechselspannung soll an der Ausgangsspannung erkennbar sein, ob die Wechselspannung nach einem ansteigenden oder nach einem abfallenden Spannungsverlauf 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 Komparators selbsttätig immer in der Mitte der Kennlinie 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 dem maximalen (high) oder auf dem minimalen (low) Spitzenwert stehenbleibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild gemäß der Erfindung und

Fig. 2 Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten des Schaltbildes nach Fig. 1.

Ein Komparator 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 u₁, deren Gleichspannungsanteil u₂ mit einer Amplitude schwankt, die etwa so groß ist wie die Amplitude der Wechselspannung u₀.

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 u₁ führt.

Der Ausgang der diese Signalspannung

u₁ = u₂+u₀

liefernden niederohmigen Spannungsquelle 1 ist nicht nur mit dem invertierenden Eingang (-) des Komparators 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 Komparators 2, wobei der Tiefpaß 3, 4, 7 mindestens den Gleichspannungsanteil u₂ der Signalspannung u₁ durchläßt. Durch Bildung der Differenz D zwischen den den beiden Eingängen (+, -) des Komparators 2 zugeführten Spannungen, also

D = u₁-u₂,

oder mit u₁ = u₂+u₀

D = u₂+u₀-u₂ = u₀,

wird in diesem nur die reine Wechselspannung u₀ verstärkt.

Für den Fall fehlender Rückkopplung würde dann am Ausgang des Komparators 2 die entsprechend verstärkte Wechselspannung u₃ 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 u₃ an den nicht invertierenden Eingang (+) des Komparators 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 u₁ enthaltenen Wechselspannung u₀ 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 u₂ 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 u₂ in der Größenordnung der Frequenz der in der Signalspannung u₁ enthaltenen Wechselspannung u₀, wobei mit dem in Serie zum Kondensator 7 angeordneten Widerstand 4 die Phasenverschiebung zwischen der Rechteckspannung u₃ und der Signalspannung u₁ 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 u₀ und der schwankenden Gleichspannung u₂ zusammengesetzte Signalspannung u₁.

Fig. 2b zeigt die an den beiden Eingängen des Komparators 2 wirkende Spannungsdifferenz u₁-u₂, nämlich die reine Wechselspannung u₀, sowie die Schwellenspannungen +U _z und -U _z, die der Hysterese entsprechen und angeben, bei welchem Spannungswert der Komparator 2 jeweils in die andere Richtung umkippt.

Fig. 2c zeigt die Ausgangsspannung u₃ des Komparators 2. Durch die gestrichelten Linien zwischen den Fig. 2b und 2c wird deutlich, daß die Impulsflanken der Ausgangsspannung u₃ und die Schnittpunkte der Spannung u₀ 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 u₀ beim Aussetzen nach einem ansteigenden bzw. nach einem abfallenden Verlauf dargestellt. Da die Spannung u₀ nach dem Aussetzen weder die positive Schwellenspannung +U _z noch die negative Schwellenspannung -U _z überschneiden kann, wie in Fig. 2b zu sehen ist, kann der Komparator 2 seine Ausgangsspannung u₃ 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 u₃ beim Aussetzen der Spannung u₀ 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

1. Schaltungsanordnung zum Verstärken und Umwandeln einer Signalspannung (u₁), die aus der Summe einer Wechselspannung (u₀) und einer schwankenden Gleichspannung (u₂) besteht, in eine Rechteckspannung, wobei der Ausgang einer die Signalspannung (u₁) liefernden Spannungsquelle (1) sowohl mit dem invertierenden Eingang (-) eines Komparators (2) als auch über einen mindestens die schwankende Gleichspannung (u₂) durchlassenden Tiefpaß (3, 4, 7) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Komparators (2) verbunden ist und an dem Ausgang des Komparators (2) die Rechteckspannung (u₃) abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (2) über einen Rückkopplungswiderstand (10) mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Komparators (2) und dieser über einen Vorwiderstand (6) mit dem Ausgang des Tiefpasses (3, 4, 7) verbunden ist und daß zwischen dem Ausgang des Tiefpasses (3, 4, 7) und dem Vorwiderstand (6) ein gegengekoppelter Trennverstärker (5) eingefügt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 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 Wechselspannung (u₀) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (1) ein Emitterfolger oder ein gegengekoppelter Operationsverstärker ist, an dessen Eingang (+) die zu verstärkende Signalspannung anliegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verstärkende Signalspannung einem Spannungsteiler (8, 9) entnehmbar ist, der einen temperaturabhängigen Widerstand (8) aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (8) der Atemluft eines Menschen ausgesetzt ist.