NL8005549A - Inrichting voor het in digitale vorm brengen van een analoog signaal. - Google Patents

Description

PHN 9855 1 N.V. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Inrichting voor het in digitale vorm brengen van een analoog signaal.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het in digitale vorm brengen van een analoog signaal, waarvan de gemiddelde waarde constant is, bevattende een deltamodulator die is ingericht cm gedurende opeenvolgende tijdintervallen, elk waarvan n impulsen van een 5 klokgenerator duurt, het signaal te banonsteren en per tijdsinterval m(m^n) impulsen af te geven, waarbij m afhangt van het verschil tussen de waarden van het signaal aan het begin en aan het einde van het interval.

Een dergelijke inrichting kan bijvoorbeeld toegepast worden 10 cm een ECG-signaal voor verdere verwerking in digitale vorm te brengen. Een ECG-signaal is een min of meer periodiek signaal, waarvan de gemiddelde waarde gelijk is aan nul of aan een (constante) contact potentiaal die tussen de elektroden en de huid van een patient optreedt.

Het blijkt nu, dat door onnauwkeurigheden in de deltamodulator aan dit 15 signaal stoorsignalen worden toegevoerd, het geen uiteraard voor de verdere verwerking hinderlijk is. Het doel van de uitvinding is, deze hinderlijke stoorsignalen te verwijderen met behoud van de nuttige informatie.

De inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, 20 dat de uitgang van de deltamodulator verbonden is met een correctie- schakeling die is ingericht als een digitaal hoogdoorlaatfilter.

De uitvinding berust op het inzicht, dat de stoorsignalen die door de deltamodulator veroorzaakt worden een continu en langzaam dalend of stijgend karakter hebben -zodat zij met behulp van een hoog-25 doorlaatfilter gescheiden kunnen worden van een ECG-signaal, dat behalve de niet belangrijke contactpotentiaal nagenoeg geen zeer laagfrequente componenten bevat.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de correctieschakeling is ingericht 30 om het eraan toegevoerde signaal te verminderen met de voorschrijdende gemiddelde waarde van het signaal.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van 8005549 ** * PHN 9855 2 de tekening. Hierin is

Figuur 1 een blokschema van een uitvoeringvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding, figuur 2 een principeschema van een uitvoeringsvoorbeeld van 5 een in de schakeling volgens figuur 1 toe te passen deltamodulator, en figuur 3 een principeschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een in de schakeling volgens figuur 1 toe te passen adaptief hoof door laatf ilter.

De in figuur 1 weergegeven inrichting bevat een ingang 1, via 10 welke een ECG-signaal kan worden toegevoerd aan een deltamodulator 3.

De uitgang van deze deltamodulator is via een scheidingstransformator 4 verbonden met een tweerichtingsteller 5 die op zijn beurt verbonden is met een adaptief hoogdoor laatf ilter 7, waarvan het uitgangssignaal wordt toegevoerd aan de uitgang 9 van de inrichting. De deltamodulator 15 3 en de teller 5 worden bestuurd door een klokgenerator 11. Het aan de uitgang 9 verschijnende gedigitaliseerde ECG-signaal kan voor verdere verwerking worden toegevoerd aan een rekeneenheid 13, bijvoorbeeld een microprocessor.

Figuur 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld van de deltamodulator 20 3 meer in detail. Deze bevat een eerste ingang 15, waaraan het van de ingang 1 afkomstige analoge ECG-signaal wordt toegevoerd en een tweede ingang 17 waaraan een referentiespanning wordt toegevoerd. De eerste ingang 15 is via een eerste versterker 19, die bijvoorbeeld tien maal versterkt, verbonden met een eerste ingang 20 van een comparator 21. De 25 tweede ingang 17 is via een tweede versterker 23 verbonden met een elektrode van een condensator 25, waarvan de andere elektrode verbonden is met de tweede ingang 26 van de comparator 21.

De uitgang van de comparator 21 is verbonden met de D-ingang van een bistabiel element 27, waarvan de C-ingang 29 verbonden is met 30 de infiguur 1 getekende klokgenerator 11. De uitgang Q van het bistabiele element 27 bestuurt een elektronische schakelaar 31 en is tevens verbonden met de uitgang 33 van de deltamodulator. De elektronische schakelaar 31 bevat twee schakeleenheden 35, respectievelijk 37, waarvan de eerste de met de comparator 21 verbonden elektrode van de 35 condensator 25 naar keuze verbinden kan met een positieve stroombron 39 of een negatieve stroombron 41, terwijl de tweede schakeleenheid tegelijk de andere elektrode van de condensator verbindt met respec- 8 Q 0 5 5 4 9 ’ “ f <3 PHN 9855 3 tievelijk een negatieve stroombron 43of een positieve stroombron 45.

De werking van deze schakeling is als volgt. Wanneer de momentane waarde van het versterkte ECG-signaal op de eerste ingang 20 van de comparator 21 kleiner is dan de spanning op de tweede ingang 26 5 van de comparator voert de uitgang van de comparator en dus ook de D-ingang van het bistabiele element 27 een logische 1. Daardoor voert bij het verschijnen van de eerstvolgendimpuls uit de klokgenerator 11 aan de Oingang van het bistabiele element 27 de uitgang Q daarvan eveneens een logische 1, waardoor de schakelaar 31 in de getékende stand 10 wordt gezet. Daardoor wordt gedurende een korte, door de klokgenerator 11 bepaalde tijd t de condensator 25 verbonden met de stroombron 39 die een stroom Ig aan decondensator levert, waardoor deze met een bedrag Igt opgeladen wordt, zodat de spanning op de tweede ingang 26 van de comparator 21 dichter bij die op de eerste ingang 20 kont. Tegelijk wordt de andere elektrode van de condensator 25 met de negatieve stroombron 43 verbonden, die een ladingspakket I' . t af voert teneinde te voorkomen Π dat door het door de stroombron 39 geleverde ladingspakket I^t de referentiespanning stoort.

Wanneer de spanning op de eerste ingang 20 van de comparator 20 21 lager is dan die qp de tweede ingang 26 verschijnt op de D-ingang van het bistabiele element 27 een logische 0 die bij de volgende impuls van de klokgenerator via de uitgang Q de schakelaar 31 in de andere stand zet, zodat dan gedurende een tijd t de condensator 25 verbonden is met de negatieve stroombron 41 en met een bedrag I^.t ontladen wordt.

25 Ter compensatie voert de positieve stroombron 45 weer een lading I' .t toe aan de andere elektrode van de condensator.

Uit het bovenstaande zal duidelijk zijn, dat na een aantal perioden van de klokgenerator 11 de spanning qp de beide ingangen 20 en 26 van de comparator 21 gelijk is. Daarna betekent elke stijging van 30 het EQG-signaal, dat een aantal logische enen aan de uitgang 33 wordt toegevoerd en elke daling dat een aantal logische nullen wordt toegevoerd. Uit de aan de uitgang verschijnende reeks logische enen en nullen is dan ook op elk moment de waarde van het ECG-signaal te reconstrueren.

In de praktijk blijkt echter, dat de bovenstaande redenering 35 slechts bij benadering juist is omdat enerzijds de beide stroombronnen 39 en 41 niet exact aan elkaar gelijk zijn en anderzijds de ingang 26 van de comparator 21 een eindige ingangsweerstand heeft, zodat hierdoor 8005549 ΡΗΝ 9855 4 een kleine stroom Ig uit de condensator 25 weglekt. Een en ander heeft tot gevolg, dat, wanneer de condensator 25 gedurende een aantal perioden van de klokgenerator 11 is opgeladen en vervolgens gedurende hetzelfde aantal perioden is ontladen de spanning op de tweede ingang 26 van de 5 comparator 21 niet de oorspronkelijke waarde is teruggekeerd. Omgekeerd zal dus een signaal op de eerste ingang 20, dat vanaf een bepaalde waarde eerst stijgt en daarna daalt tot zijn oorspronkelijke waarde aan de uitgang 33 ongelijke aantallen nullen en enen produceren. Dit manifesteert zich in het gedigitaliseerde signaal als een op het signaal gesuperponeer-10 de, gestadig stijgende of dalende spanning.

Een en ander zal nu aan de hand van een berekening toegelicht worden. Stel, dat de lekstroom naar de comparator zoals boven aangegeven si, gelijk is aan Ig en dat de stroombronnen 39 en 41 niet precies aan elkaar gelijk zijn, zodat 15 IH = I + S I (1)

Ig = I - S I (2)

In de getekende stand van de schakelaar 31 is de stroom naar de conden-2q sator 25 gelijk aan:

Iu = Ig - Ig = I + SI - Ig = I -41 (3)

Hierin is: Ιη-5ΐ=Δΐ (4) 25 ^

In de andere stand van de schakelaar 31 is de stroom van de condensator 25 gelijk aan: + <5> 30 Uit (3) en (5) blijkt, dat het laad- en ontlaadproces beschreven kan worden met de ongelijke stroombronnen Iu en 1^ die een bedrag ΔΙ lager, respectievelijk hoger zijn dan een ideale stroombron I.

Wanneer nu telkens gedurende een vast aantal (n) klokperioden het aantal perioden n^ geteld wordt, dat I ingeschakeld is en het 35 aantal perioden n^, dat 1^ ingeschakeld is (waarbij nu het aantal enen en n^ het aantal nullen op de uitgang 33 voorstelt en n = n^ + n^), volgt hieruit de spanningstoename Δ V op de condensator 25: 8005549 ö o g > PHN 9855 5 Λν = nu . :EU - nd . Id = (nu - nd) .1 + (¾ + nd).Al (6)

Aangezien nu + nd = n constant is, geldt: 5 Δ V = (nu - nd). I + C (7) waarin G = η . ΔΙ (8)

Indien nu gedurende een bepaald tijdsinterval met een lengte van n klokperioden het signaal op de eerste ingang 20 van de comparator 10 21 met een bedrag£^S toeneemt, is de spanningstoename&V op de conden sator 25 gelijk aan As zodat geldt: Δ S = (nu - nd) .1 + C (9)

Hieruit volgt: 15 (nu - <10>

Wanneer de gemiddelde waarde van het aan de ingang 15 verschijnende signaal constant is, moet de gemiddelde waarde van AS over langere tijd- gelijk zijn aan 0. Uit (10) volgt echter, dat de waarde ny - nd 20 gestadig toe- of afneemt naarmate de tijd voortschrijft. Dit betekent, dat de aan de uitgang 33 verschijnende pulsreeks een signaal weergeeft, dat is opgebouwd uit het signaal op de ingang 15 en een gestadig toe-of af nemend signaal. De waarde aan de uitgang van de tweerichtings-teller 5 (figuur 1) zal dus gemiddeld steeds toenemen. Het hoogdoorlaat-filter 7 dient nu on deze gemiddelde waarde terug te brengen tot een 25 constant bedrag zodat aan de uitgang 9 een digitaal signaal verschijnt dat een zuivere weergave is van het aan de ingang 1 aangeboden analoge signaal.

Een uitvoeringsvoorbeeld van het hoogdoorlaatfilter 7 is 3Q weergegeven in figuur 3. Het heeft een ingang 47 waaraan het uit de tweerichtingsteller 5 kanende signaal S(t) wordt toegevoerd. Deze ingang is verbonden met een positieve ingang van een eerste opteller 49 waarvan de uitgang verbonden is met enerzijds de uitgang 9 van de inrichting en anderzijds een verzwakker 51 die meteen faktor cL<^ 1 ver- „ menigvuldigd. De uitgang van de verzwakker is verbonden net een eerste 00 positieve ingang van een tweede opteller 53, waarvan de uitgang verbonden is met een vertragingselement 55 dat een vertragingstijd ΔΤ heeft.

De uitgang van dit vertragingselement is verbonden met enerzijds een 8 0 Ü 5 5 4 9 ΡΗΝ 9855 6 λ Γ Je negatieve ingang van de eerste qpteller 49 en anderzijds een tweede positieve ingang van de tweede qpteller 53.

De werking van deze schakeling is als volgt. Op een tijdstip T +ΔΤ verschijnt een digitaal signaal S(T +Λ T) op de ingang 47. Dit 5 wordt in de eerste opteller verminderd met een signaal S (T) dat het voortschrijdend gemiddelde qp het tijdstip T is van het variërende signaal S(t). Het signaal S(T + ΔΤ) - S(T) wordt in de verzwakker 51 met 04 vermenigvuldigd en het resulterende signaal S(T + AT) - S(T) wordt in de tweede opteller 53 vermeerderd met S(T). Het zo ontstane signaal 10 s (T) £ S (T + 4 T) - S (T)J wordt in het vertragingselement 55 ge durende een tijd Δ T vertraagd. Het signaal, dat qp het tijdstip T + Δ T het vertragingselement verlaat, is dus het signaal, dat qp het tijdstip T dit vertragingselement binnen kwam en dit is gelijk aan: S(T - T) +* [S(T) - S(T -ΔΤ)? = 15 = (-Λ) S(T -Δτ) +«S(T) =S(T)

Het voortschrijdend gemiddelde qp het tijdstip T is immers een combinatie van het "oude" voortschrijdend gemiddelde ten tijde T -Δτ en de momentane waarde van het signaal S(t) ten tijde T, waarbij beide componenten met een gewichtsfactor vermenigvuldigd moet warden en de 20 sam van de gewichtsfactoren gelijk is aan 1.

Nu is de voortschrijdende gemiddelde waarde van een signaal met een gemiddelde waarde nul nagenoeg gelijk aan nul, terwijl de voortschrijdende gemiddelde waarde van een lineair met de tijd toenemend signaal gelijk is aan de momentane waarde van dat signaal verminderd met 25 een constant bedrag. Wanneer dus het signaal S(t) aan de ingang 47 . is opgebouwd uit een combinatie van een variable signaal met gemiddelde waarde nul en een lineair toenemend signaal, is het signaal S(t) - S(t -4T) aan de uitgang 9 gelijk aan het variabele signaal met een constante gemiddelde waarde.

30

In het beschreven voorbeeld is het hoogdoorlaatfilter uitgevoerd als een combinatie van twee qptellers, een verzwakker en een vertragingselement. Het zal duidelijk zijn, dat de daarmee op het signaal te verrichten rekenkundige bewerkingen ook door een geschikt geprogrammeerde rekeneenheid, bijvoorbeeld de microprocessor 13 kunnen worden 35 uitgevoerd.

8005549

Claims (2)

1. Inrichting voor het in digitale vorm brengen van een analoog signaal, waarvan de gemiddelde waarde constant is, bevattende een deltamodulator (3) die is ingericht om gedurende opeenvolgende 5 tijdsintervallen, elk waarvan n impulsen van een klokgenerator (11) duurt, het signaal te bemonsteren en per tijdsinterval m(m^n) impulsen af te geven, waarbij m afhangt van het verschil tussen de waarde van het signaal aan het begin en aan het einde van het interval, met het kenmerk, dat de uitgang van de deltamodulator (3) verbonden is 10 met een correctieschakeling (7) die is ingericht als een digitaal hoogdoorlaatfilter.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de correctieschakeling (7) is ingericht op het eraan toegevoerde signaal te verminderen met de vocrtschrijdende gemiddelde waarde van 15 dat signaal. / 20 25 30 35 8005549