FI79635C - Signalomvandlare. - Google Patents

Description

1 79635

Signaalimuokkain Tämän keksinnön kohteena on signaalimuokkain, joka käsittää differentiaalivahvistimen, jossa on ulostulo ja 5 invertoiva ja ei-invertoiva sisääntulo, joiden väliin signaalilähde on kytketty.

Ylläkuvatun kaltaisen tyypillisen differentiaalivahvistimen periaate, jota sovelletaan esimerkiksi biosähköisten ilmiöiden mittaamisessa, on esitetty kuviossa 1. Vah-10 vistimen G ulostulosta saadaan tulonapojen A ja B välinen signaali vahvistuneena eli ulostulosignaali y = Gs + c, G = vahvistuskerroin ja c edustaa häiriöistä aiheutuvaa vir-hetermiä. Tämän tekijän arvo riippuu differentiaalivahvistimen tulonavoissa vaikuttavan yhteisen (common mode) häi-15 riösignaalin suuruudesta, vahvistimen CMRR (common mode rejection ratio) tekijästä, signaalilähteen impedanssista (esim. ihon kosteudesta) sekä tulonapojen ja maan välisten vastusten keskinäisestä suhteesta, ts. siitä kuinka lähellä niiden arvot ovat toisiaan.

20 Mikäli, kuten useimmiten käytännössä tapahtuu, vah vistimen tulonavoissa ei vaikuta samansuuruinen häiriösig-naali, myös tämän häiriön erosignaali halutun signaalin lisäksi tulee vahvistetuksi G-kertaiseksi vahvistimen ulostulossa. Tämä merkitsee yleensä voimakasta häiriötä ulostu-25 losignaalissa y, sillä tyypillisesti G = 100...1000.

Biosignaalivahvistimet on yleensä tarkoitettu vaih-tosähkösignaaleille, joten hitaampia (häiriö) potentiaali-muutoksia voitaisiin periaatteessa vaimentaa kytkemällä molempiin tulonapoihin sarjakondensaattorit. Tämä kuitenkin 30 huonontaisi toisaalta tulonapojen impedanssien välistä sovitusta ja toisaalta voimakas häiriö saattaisi helposti yliohjata vahvistimen toimintakelvottomaksi pitkähköksi aikaa kondensaattorien latautumisen vuoksi. Differentiaalivahvistimet ovatkin lähes poikkeuksetta tasavirtakytket-35 tyjä, jolloin ne ovat kuitenkin hyvin herkkiä häiriöille, joiden energia on keskittynyt taajuusspektrin alapäähän 2 79635 (esim. liikkeet ja tärähdykset). Nopeita ja jaksollisia häiriöitä voidaan vaimentaa helpommin esim. suoraan tulo-napoihin kytketyillä alipäästösuodattimilla, joiden reuna-taajuus on selvästi verkkohäiriötaajuuden (50Hz) yläpuolel-5 la.

Yhteismuotoisten häiriöiden vaimennusta voidaan parantaa jonkin verran (n. 10...20 dB) kuvion 2 mukaisella tunnetulla tavalla kytkemällä differentiaalivahvistimen tu-lonavoista johdettu (common mode) häiriö -180 asteen vaihe-10 siirrossa vahvistettuna takaisin aktiiviseksi maaksi, johon vastaavasti kytketään maadoituselektrodi.

Yllä kuvioiden 1 ja 2 yhteydessä kuvatut tunnetut differentiaalivahvistimeen perustuvat signaalimuokkaimet ovat kuitenkin käytännössä miltei täysin soveltumattomia 15 häiriöalttiissa ympäristössä suoritettaviin mittauksiin, kuten vapaan liikesuorituksen aikana tapahtuvaan reaaliaikaiseen lihastonuksen (EMG-signaalin) profiilin mittaukseen. Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin tuoda esiin sig-naalimuokkain, joka soveltuu käytettäväksi yllämainitun 20 kaltaisissa yhteyksissä antaen erittäin luotettavan ja selväpiirteisen kuvan mitattavasta suureesta ilman, että häi-riösignaalit pääsisivät muuttamaan mittaustulosten tul-kittavuutta.

Yllämainittu tavoite on toteutettu keksinnön mukai-25 sella signaalimuokkaimella, jolle on tunnusomaista, että differentiaalivahvistimen ulostulon ja toisen sisääntulon väliin on kytketty integroiva takaisinkytkentäpiiri ja/tai differentiaalivahvistimen ulostulon ja toisen sisääntulon väliin on kytketty derivoiva takaisinkytkentäpiiri. Edulli-30 sesti integroiva takaisinkytkentäpiiri on kytketty -180 asteen vaihesiirrossa differentiaalivahvistimen ei-invertoi-vaan sisääntuloon tai 0 asteen vaihesiirrossa sen invertoivaan sisääntuloon. Vastaavalla tavalla derivoiva takaisinkytkentäpiiri on edullisesti kytketty -180 asteen vaihe-35 siirrossa differentiaalivahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon tai 0 asteen vaihesiirrossa sen invertoivaan sisääntuloon.

3 79635 Käyttämällä yllämainitun kaltaisia takaisinkytken-töjä saadaan aikaan adaptiivinen differentiaalivahvistin, joka aikaansaa joko matalilla ja/tai korkeilla taajuuksilla tapahtuvan adaptiivisen häiriösignaalin vaimennuksen 5 mahdollistaen hyvinkin heikkojen biosignaalien stabiilin ja lähes häiriöttömän mittauksen.

Seuraavassa keksinnön mukaista signaalimuokkainta kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 10 kuvio 1 esittää tavanomaista tunnetuntyyppistä dif ferentiaalivahvistimen kytkentäperiaatetta, kuvio 2 esittää toista tavanomaista tunnetuntyyppistä differentiaalivahvistimen kytkentäperiaatetta, kuvio 3a esittää ensimmäisen keksinnön mukaisen dif-15 ferentiaalivahvistimen kytkentäperiaatteen, kuvio 3b esittää toisen keksinnön mukaisen differentiaalivahvistimen kytkentäperiaatteen, kuvio 4 esittää kuvion 3a mukaisen kytkentäperiaatteen yksityiskohtaisemman toteutustavan, 20 kuvio 5 esittää kolmannen keksinnön mukaisen diffe rentiaalivahvistimen kytkentäperiaatteen, ja kuvio 6 esittää kuvion 5 mukaisen keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaisen kytkentäperiaatteen yksityiskohtaisemman toteutuksen.

25 Kuvioissa 3a ja 3b on esitetty keksinnön mukaisen adaptiivisen differentiaalivahvistimen lohkokaavio, joka soveltuu erityisesti käytettäväksi hyvin heikkojen (1...

100 yaV) biosignaalien stabiiliin ja lähes häiriöttömään mittaukseen. Kuvioiden 3a ja 3b mukaisessa vahvistimessa 30 lähtösignaalista y lasketaan uusi tämän signaalin integraa- lisignaali z, joka on näin ollen suoraan verrannollinen tu- losignaalin S amplitudiin ja kestoon. Kuvion 3a mukaisessa suoritusmuodossa integraalisignaali z johdetaan -180 asteen vaihesiirrossa (~ [ ydt) takaisin tulonapaan B. Kuvion 3b " J \ f 35 mukaisessa suoritusmuodossa integraalisignaali J ydt) johdetaan 0 asteen vaihesiirrossa takaisin tulonapaan A.

4 79635

Kuviossa 4 on esitetty kuvion 3a mukaisen lohkokaavion yksityiskohtaisempi toteutus piirikaaviona. Tässä integroiva takaisinkytkentä la on toteutettu tavanomaisella operaatiovahvistimen OP ja vastuksen R ja kondensaattorin C 5 invertoivalla integraattorikytkennällä. Tässä kytkennässä vastus R on kytketty differentiaalivahvistimen G ulostuloon sen ulostulosignaalin y vastaanottamiseksi ja tämän vastuksen R toinen napa on kytketty operaatiovahvistimen OP miinus-napaan plusnavan ollessa maadoitettuna. Takaisinkytkentä-10 komponenttina operaatiovahvistimen OP miinustulonavan ja ulostulonavan välissä on kondensaattori C. Operaatiovahvistimen ulostulosignaali z on johdettu vastuksen R^ kautta differentiaalivahvistimen G ei-invertoivaan sisääntuloon B. Differentiaalivahvistimen toisen sisääntulon A ja maadoituk-15 sen väliin on kytketty vastaavansuuruinen vastus R^. Mitoittamalla integroinnin aikavakio (*£ - RC) sopivasti voidaan määrittää se signaalien (häiriöiden) muutosnopeuden alue, joita hitaammat signaalit alkavat nopeasti vaimentua. Toisin sanoen mitä hitaampi häiriö sitä tehokkaampi vaimennus.

20 Toisaalta signaalilähteen impedanssin kasvu siirtää vaimen-nusaluerajaa automaattisesti kohti suurempia signaalimuutos-nopeuksia ja päinvastoin eli vahvistin adaptoituu näihin muutoksiin. Tällainen adaptiivinen differentiaalivahvistin säilyttää lisäksi hyvät CMRR-ominaisuutensa, sillä tulona-25 paimpedanssit säilyvät resistiivisinä ja lähes yhtä suurina. Tämä perustuu siihen, että operaatiovahvistimen OP ulostuloimpedanssi on varsin pieni, jolloin takaisinkytken-täsilmukan vaikutus tulonapaimpedanssiin jää käytännössä merkityksettömäks i.

30 Tilanteissa joissa tulosignaalilähteen S sisäinen impedanssi on hyvin pieni, tulonapojen A ja B välille signaalilähteen S kanssa sarjaan voidaan kytkeä resistanssi RO, joka valitaan siten, että se on huomattavasti pienempi kuin tulonapojen resistanssi R^, mutta selvästi suurempi 35 kuin signaalilähteen S sisäinen impedanssi.

Yksi kuvatun kaltaisen adaptiivisen differentiaali- 5 79635 vahvistimen tärkeä sovellutusalue on vapaan liikesuorituk-sen aikana tapahtuva reaaliaikainen lihastonuksen (EMG-sig-naalin) profiilin mittaus. Näiden ilmiöiden rekisteröinti on erittäin tarpeellista em. eri urheilulajien valmennuk-5 sessa sekä fysikaalisen hoidon ja kuntoutuksen yhteydessä. Näiden kinesiologiaan liittyvien tapahtumien mittaaminen ei tähän saakka ole käytännössä juuri ollut mahdollista.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen adaptiivisen differentiaalivahvistimen kolmannen suoritusmuodon loh-10 kokaavio, jossa vaimennusominaisuudet kasvavat signaalimuu-tosnopeuksien kasvaessa, joten se on toiminnaltaan kuviossa 3a esitetyn suoritusmuodon peilikuva. Tässä suoritusmuodossa integraalin sijasta muodostetaan differentiaalivahvistimen G ulostulosignaalin y derivaatta, joka -180 astetta vai-15 hesiirrettynä (-'Z' · ^-) on summattu differentiaalivahvistimen G ei-invertoivaan sisääntuloon B. Kuviossa 3b esitetyn periaatteen mukaisesti tämä derivoiva takaisinkykentä 2a voitaisiin kytkeä myös differentiaalivahvistimen ulostuloon ja sen invertoivan sisääntulon A väliin, jolloin sen tulisi 20 olla 0 asteen vaihesiirrossa.

Kuviossa 5 esitetyn mukaisen keksinnön suoritusmuodon yksityiskohtaisempi rakenne on esitetty kuviossa 6, jossa derivoiva takaisinkytkentäpiiri 2a on toteutettu operaatiovahvistimen OP ja vastuksen R ja kondensaattorin C avul-25 la. Differentiaalivahvistimen G ulostuloon on liitetty toisesta navastaan kondensaattori C, jonka toinen napa liittyy sekä vastukseen R että operaatiovahvistimen OP invertoivaan sisääntuloon. Operaatiovahvistimen OP ei-invertoiva sisääntulo on kytketty maadoitukseen. Vastus R on kytketty takai-30 sinkytkentävastukseksi operaatiovahvistimen OP ylitse, jolloin sen toinen napa on kytketty operaatiovahvistimen ulostuloon. Tämä ulostulo liittyy vastuksen R^ kautta differentiaalivahvistimen G ei-invertoivaan sisääntulonapaan B.

Keksinnön mukaisella adaptiivisella differentiaali-35 vahvistimella voidaan aikaansaada joko hitaiden häiriöiden vaimennus (kuvioiden 3a ja 3b suoritusmuodot) tai nopeiden 6 79635 häiriöiden vaimennus (kuvion 5 suoritusmuoto) tai sekä hitaiden että nopeiden muutosten vaimennus yhdistämällä kuvioiden 3 ja 5 suoritusmuodot, jolloin differentiaalivahvistimessa on sekä derivoiva että integroiva takaisinkyt-5 kentä.

Yllä keksintöä on kuvattu yksityiskohtaisesti vain joidenkin esimerkinomaisten suoritusmuotojen avulla ja on ymmärrettävää, että keksinnön kannalta oleellisen takaisin-kytkentäpiirin, joka on joko derivoiva tai integroiva, ra-10 kenne voi vaihdella huomattavastikin kuvatusta lähinnä yk-sinkertaisimmasta toteutustavastaan. Keksinnön mukaisen differentiaalivahvistimen takaisinkytkentäpiirinä voi toimia miltei mikä tahansa tunnettu derivoinnin tai integroinnin aikaansaava kytkentä.

Claims (4)

7 79635

1. Signaalimuokkain, joka käsittää differentiaali-vahvistimen (G), jossa on ulostulo ja invertoiva (A) ja ei- 5 invertoiva (B) sisääntulo, joiden väliin signaalilähde (S) on kytketty, tunnettu siitä, että differentiaali-vahvistimen (G) ulostulon ja toisen sisääntulon väliin on kytketty integroiva takaisinkytkentäpiiri (la; Ib) ja/tai differentiaalivahvistimen ulostulon ja toisen sisääntulon 10 väliin on kytketty derivoiva takaisinkytkentäpiiri (2a).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen signaalimuokkain, tunnettu siitä, että integroiva takaisinkytkentäpiiri on kytketty -180° vaihesiirrossa (la) differentiaali-vahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon (B) tai 0° vaihe- 15 siirrossa (Ib) sen invertoivaan sisääntuloon (A).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen signaalimuokkain, tunnettu siitä, että derivoiva takaisinkytkentäpiiri on kytketty -180° vaiheisiirrossa (2a) differentiaali-vahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon (B) tai 0° vaihe- 20 siirrossa sen invertoivaan sisääntuloon (A).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen signaalimuokkain, tunnettu siitä, että takaisin-kytkentäpiirin (la; Ib; 2a) ja differentiaalivahvistimen sisääntulon (A; B) väliin on kytketty vastus (R^) yhtä suu- 25 ren vastuksen (R^) ollessa kytkettynä sen toisen sisääntulon ja maan/toisen takaisinkytkentäpiirin väliin.