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Die vorliegendene Erfindung betrifft ein Signalformungsnetzwerk
mit einem Differenzverstärker, der einen Ausgang sowie einen
invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang aufweist,
zwischen denen eine Signalquelle angeschlossen wird.
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US-A-4 543 536 zeigt ein Beispiel eines Signalformungsnetzwerks
für einen Lastverstärker mit einer automatischen
Nullpunkteinstellung.
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Figur 1 zeigt das Prinzip eines typischen Differenzverstärkers der
eingangs erwähnten Art, der beispielsweise zur Messung
bioelektrischer Phänomene verwendet wird. Das zwischen den Eingangsklemmen A
und B anliegende Signal wird in verstärkter Form am Ausgang eines
Verstärkers G erhalten, also ein Ausgangssignal Y = Gs + c, wobei
G den Verstärkungsfaktor und c einen durch Störungen verursachten
Fehlerterm darstellt. Der Wert dieses Terms hängt von der Größe
eines auf die Eingangsklemmen des Differenzverstärkers
einwirkenden Gleichtakt-Störsignals, den Gleichtaktunterbrückungsfaktor
(CMRR) des Verstärkers, die Impedanz der Signalquelle
(beispielsweise die Feuchtigkeit der Haut) und das Verhältnis zwischen
Widerständen zwischen den Eingangsklemmen und Erde ab, d.h. wie nahe
ihre Werte beieinanderliegen.
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In der Praxis sind die auf die Eingangsklemmen des Verstärkers
wirkenden Störsignale meistens ungleich wodurch nicht nur das
Nutzsignal sondern auch das Differenzsignal der Störung G-fach
am Ausgang des Verstärkers verstärkt ist. Hieraus resultiert
eine starke Störung des Ausgangssignals Y, wobei G typischerweise
100 ... 1000 ist.
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Biosignalverstärker sind üblicherweise für Wechselstromsignale
vorgesehen, so daß es grundsätzlich möglich wäre, langsamere
(Störungs-) Potentialänderungen durch die Einschaltung von
Serienkapazitäten an beiden Eingangsklemmen zu dämpfen. Dies würde jedoch
die Anpassung zwischen den Impedanzen an den Eingangsklemmen
verschlechtem
und andererseits könnten starke Störungen leicht den
Verstärker in einen nicht funktionierenden Zustand für eine
längere Zeitdauer aufgrund der Aufladung der Kapazitäten übersteuern.
Aus diesem Grund sind Differenzverstärker nahezu ausnahmslos an
Gleichspannungen angeschlossen, wodurch sie jedoch sehr
empfindlich für Störungen sind, deren Energie am unteren Ende des
Frequenzspektrums konzentriert ist (beispielsweise Bewegungen und
Stöße). Der einfachste Weg, schnelle periodische Störungen zu
bedämpfen ist die Einschaltung von Tiefpaß-Filtern, deren Grenzfre
quenz deutlich oberhalb der Netz-Störfrequenz (50 Hz) liegt,
beispielsweise direkt an die Eingangsklemmen.
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Die Bedämpfung von Gleichtaktstörungen kann bis zu einem gewissen
Grad (ungefähr 10.. .20 dB) in einer in Figur 2 dargestellten
bekannten Weise bedämpft werden, indem eine auf die Eingangsklemmen
wirkende Störung des Differenzverstärkers (eine
Gleichtakt-Störung) verstärkt und mit einer Phasenverschiebung von 180º als
aktive Erde zurückgekoppelt wird, an die eine
Erdverbindungselektrode angeschlossen wird.
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Die vorbekannten, auf einem Differenzverstärker basierenden
Signalformungsnetzwerke, wie sie in den Figuren 1 und 2
beschrieben sind, sind jedoch praktisch unbrauchbar für Messungen, die
unter störanfälligen Bedingungen ausgeführt werden, wie
beispielsweise die Echtzeitmessung des Profils eines Muskeltonus
(EMG-Signal), der während der freien Bewegung auftritt. Der vorliegenden
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für die
obengenannten Zwecke geeignetes Signalformungsnetzwerk anzugeben, das
extrem zuverlässige und klare Informationen über die zu messende
Größe zur Verfügung stellt, ohne daß die Interpretation der
Meßergebnisse durch Störsignale beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes
Signalformungsnetzwerk gelöst, wie es in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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Aufgrund der angegebenen Rückkopplungen wird ein adaptiver
Differenzverstärker erhalten, der eine adaptive Bedämpfung eines
Störsignals bei tiefen und/oder hohen Frequenzen bewirkt und so eine
stabile und im wesentlichen störungsfreie Messung sogar von sehr
schwachen Biosignalen ermöglicht.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Signalformungsnetzwerk un
ter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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Figur 1 - ein Anschlußprinzip eines herkömmlichen
Differenzverstärkers gemäß dem Stand der Technik,
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Figur 2 - ein Anschlußprinzip eines anderen herkömmlichen
Differenzverstärkers gemäß dem Stand der Technik,
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Figur 3a - ein Anschlußprinzip eines ersten erfindungsgemäßen
Differenzverstärkers,
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Figur 3b - das Anschlußprinzip eines zweiten erfindungsgemäßen
Differenzverstärkers
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Figur 4 - eine detailliertere Ausführungsform des
Anschlußprinzips gemäß Figur 3a,
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Figur 5 - ein Anschlußprinzip eines dritten erfindungsgemäßen
Differenzverstärkers und
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Figur 6 - eine detailliertere Darstellung einer Ausführung
des Anschlußprinzips gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 5 dargestellt ist.
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Figuren 3a und 3b zeigen Blockschaltbilder eines erfindungsgemäßen
adaptiven Differenzverstärkers, der insbesondere für eine stabile
und im wesentlichen störungsfreie Messung von sehr schwachen
Biosignalen (1...100 µV) geeignet ist. In den Verstärkern der Figuren
3a und 3b wird ein Integralsignal z aus dem Ausgangssignal y
berechnet, wobei das erhaltene Integralsignal direkt proportional
zur Amplitude und Dauer des Eingangssignals 5 ist. In dem
Ausführungsbeispiel der Figur 3a wird das Integralsignal z auf die
Eingangsklemme
B mit einer Phasenverschiebung von -180º (-1/τ ydt)
zurückgeführt. In dem in Figur 3b dargestellten
Ausführungsbeispiel wird das Integralsignal (-1/τ ydt) auf die Eingangsklemme A
mit einer Phasenverschiebung von 0º zurückgeführt.
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Figur 4 zeigt ein ausführlicheres Schaltbild der Ausführung des
Blockschaltbilds gemäß Figur 3a. Dabei ist eine integrierende
Rückkopplung 1a mit Hilfe einer herkömmlichen invertierenden
Integratorschaltung bewirkt, die durch einen Operationsverstärker OP,
einen Widerstand R und einen Kondensator c gebildet. In dieser
Schaltung ist der Widerstand R mit dem Ausgang des
Differenzverstärkers G verbunden und erhält dessen Ausgangssignal y; ein
Anschluß des Widerstandes R ist mit dem negativen Anschluß des
Operationsverstärkers Op verbunden, dessen positiver Anschluß geerdet
ist. Der Kondensator C ist als Rückkopplungskomponente zwischen
der negativen Eingangsklemme und der Ausgangsklemme des
Operationsverstärkers OP angeordnet. Ein Ausgangssignal z des
Operationsverstärkers wird über einen Widerstand Rg auf einen nicht
invertierenden Eingang B des Differenzverstärkers G geleitet. Ein
gleichgroßer Widerstand Rg ist zwischen einem Eingang A des
Differenzverstärkers und Erde geschaltet. Durch geeignete
Dimensionierung der Integrationszeitkonstante (τ = RC) ist es möglich, den
Bereich der Änderungsrate der Signale (Störungen) so zu bestimmen,
daß langsamere Signale schnell bedämpft werden. Anders ausgedrückt
ist die Bedämpfung umso wirksamer je langsamer die Störungen sind.
Andererseits verschiebt ein Anstieg der Impedanz der Signalquelle
automatisch die Bedämpfungsgrenze zu höheren Signaländerungsraten
und umgekehrt, d.h. der Verstärker stellt sich selbst auf diese
Änderungen ein. Diese Art eines adaptiven Differenzverstärkers
behält auch die guten Gleichtaktunterdrückungseigenschaften, da
die Eingangsimpedanzen ohmsch und nahezu gleichgroß bleiben. Die
beruht auf der Tatsache, daß die Ausgangsimpedanz des
Operationsverstärkers OP sehr klein ist, so daß der Effekt der
Rückkopplungsschleife auf die Eingangsimpedanz in der Praxis unbedeutend
ist.
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Wenn die interne Impedanz der Eingangssignalquelle S sehr niedrig
ist, ist es möglich, einen Widerstand RO in Serie mit der
Signalquelle S zwischen die Eingangsklemmen A und B zu schalten, wobei
der Widerstand so gewählt wird, daß er wesentlich kleiner als der
Widerstand Rg der Eingangsklemme, aber deutlich größer als die
interne Impedanz der Signalquelle S ist.
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Ein wesentliches Anwendungsfeld eines adaptiven
Differenzverstärkers der beschriebenen Art ist die Echtzeit-Messung des Profils
eines Muskeltonus (EMG-Signal) während der freien Bewegung. Die
Registrierung dieser Phänomene ist beispielsweise beim Training
für verschiedene Sportarten wie auch für physikalische und
Rehabilitationsmaßnahmen erforderlich. Die Messung derartiger
kinesiologischer Phänomene war bisher nicht in größerem Umfang möglich.
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Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen adaptiven Differenzverstärkers, bei dem
die Dämpfungseigenschaften mit einem Ansteigen der
Signaländerungsrate ansteigen, so daß seine Funktion ein Spiegelbild der in
Figur 3a dargestellten Ausführungsform ist. In diesem
Ausführungsbeispiel wird eine Ableitung des Ausgangssignals y des
Differenzverstärkers G statt eines Integrals gebildet und die Ableitung
wird zu dem nicht invertierenden Eingang B des
Differenzverstärkers G mit einer Phasenverschiebung von 1800 (τ dy/ydt)) addiert.
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Gemäß dem in Figur 3b dargestellten Prinzip könnte diese
Ableitungs-Rückkopplung 2a auch zwischen dem Ausgang des
Differenzverstärkers und seinem invertierendem Eingang A vorgesehen sein,
wobei sie eine Phasenverschiebung von 0º haben sollte.
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Der Aufbau des in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiels ist
detaillierter in Figur 6 dargestellt, in der der
Ableitungs-Rückkopplungskreis 2a durch einen Operationsverstärker OP, den
Widerstand R und den Kondensator C gebildet ist. Ein Anschluß des
Kondensators C ist mit dem Ausgang des Differenzverstärkers G
verbunden, während sein anderer Anschluß sowohl an den Widerstand R als
auch an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP
angeschlossen ist. Der nicht invertierende Eingang des
Operationsverstärkers
OP ist mit Erde verbunden. Der Widerstand R ist über
den Operationsverstärker OP geschaltet und bildet einen
Rückkopplungswiderstand, dessen einer Anschluß mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers verbunden ist. Der Ausgang ist über den
Widerstand Rg mit der nicht invertierenden Eingangsklemme B des
Differenzverstärkers G verbunden.
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Durch den erfindungsgemäßen adaptiven Differenzverstärker ist es
möglich, die Bedämpfung entweder von langsamen Störungen
(Ausführungsbeispiele der Figuren 3a und 3b) oder von schnellen Störungen
(Ausführungsform der Figur 5) oder die Bedämpfung sowohl von
langsamen und schnellen Änderungen durch eine Kombination der
Ausführungsbeispiele der Figuren 3 und 5 zu bewirken, wobei im letzteren
Fall der Differenzverstärker sowohl eine differenzierende als auch
eine integrierende Rückkopplung aufweisen sollte.
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Die Erfindung ist im Detail nur anhand von speziellen
Ausführungsbeispielen erläutert worden. Es ist klar, daß die Struktur der für
die Erfindung wesentlichen Rückkopplungsschaltung, sei sie
differenzierend oder integrierend, erheblich von den oben beschriebenen
einfachsten Ausführungsformen verschieden sein kann. Die
Rückkopplungsschaltung des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers kann aus
nahezu jeder bekannten Schaltung bestehen, die eine integrierende
oder differenzierende Funktion hat.