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DE2143971C3 - Spitzenwert-Detektorschaltung - Google Patents

Spitzenwert-Detektorschaltung

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Publication number
DE2143971C3
DE2143971C3 DE2143971A DE2143971A DE2143971C3 DE 2143971 C3 DE2143971 C3 DE 2143971C3 DE 2143971 A DE2143971 A DE 2143971A DE 2143971 A DE2143971 A DE 2143971A DE 2143971 C3 DE2143971 C3 DE 2143971C3
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DE
Germany
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diode
polarity
amplifier
switching device
discharge
Prior art date
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Expired
Application number
DE2143971A
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English (en)
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DE2143971B2 (de
DE2143971A1 (de
Inventor
Karl Dr.-Ing. 7032 Sindelfingen Grund
Helmut Dipl.-Ing. 7402 Kirchentellinsfurt Zeeb
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Hewlett Packard GmbH Germany
Original Assignee
Hewlett Packard GmbH Germany
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Publication date
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Priority to US00284315A priority patent/US3822399A/en
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Publication of DE2143971B2 publication Critical patent/DE2143971B2/de
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/153Arrangements in which a pulse is delivered at the instant when a predetermined characteristic of an input signal is present or at a fixed time interval after this instant
    • H03K5/1532Peak detectors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/024Measuring pulse rate or heart rate

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spitzenwert-Detektorschaltung zum Erzeugen impulsförmiger Signale beim Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte einer Polarität in einer Signalfolge, mit einem Gleichrichter, einem über diesen geladenen Speicherelement, einem Ladestromrichtungs-Diskriminator, einer Entladeschaltung für das Speicherelement und einem Ausgangsimpulsformer. Eine derartige Detektorschaltung ist bekannt aus der US-PS 35 41 457.
Spitzenwert-Detektorschaltungen dieser Art dienen dazu, die Zeitpunkte genau zu bestimmen, zu denen Spitzenwerte einer vorgegebenen Polarität oder beider Polaritäten in Signalfolgen auftreten, in denen die Extremwerte, deren zeitlicher Abstand und die Kurvenform der Signale veränderlich sein können.
ίο Ein spezielles Problem beim Einsatz der genannten Spitzenwert-Detektorschaltungen für den genannten Zweck besteht darin, daß die Signalfolgen zwischen den zeitlich zu fixierenden Extremwerten häufig relative Maxima und Minima bzw. Zwischenextremwerte aufweisen, welche die unerwünschte Abgabe von Triggerimpulsen durch die Detektorschaltungen hervorrufen können. Insbesondere tritt dieses Problem bei der Ermittlung der fötalen Herzschlagfrequenz aus Signalen mit den vorgenannten Unregelmäßigkeiten auf, wie sie bei der Auswertung der Hüllkurven von
Ultraschall-Signalen erhalten werden, bei denen der Abstand benachbarter Extremwerte ein Maß für die
veränderliche Periodendauer der Herztätigkeit ist.
Die Erfindung löst vor allem die Aufgabe, bei
Spitzenwert-Detektorschaltungen der eingangs genannten Art die unerwünschte Abgabe von Ausgangssignalen auf Grund störender Zwischenextremwerte oder Signalspitzen weitgehend zu vermeiden. Die Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, daß abhängig von der Art der Signalquelle auch bei den genannten unregelmäßigen Signalverläufen in vielen Fällen bestimmte Signaleigenschaften vorgegeben sind. Insbesondere bei der Messung der fötalen Herschlagfrequenz aus amplitudenmodulierten Ultraschall-Signalen, bei denen der zeitliche Abstand der Extremwerte ein Maß für die Herzschlagperiode ist, kann von bestimmten Erfahrungswerten für den kleinsten und größten möglichen Abstand der Maxima, das Amplitudenverhältnis benachbarter Maximalwerte, bezogen auf deren zeitlichen Abstand, sowie das Amplitudenverhältnis der insgesamt zu erwartenden größten und kleinsten Signalmaxima ausgegangen werden.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der angegebenen Gattung wird erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß eine Verzögerungsschaltung mit einer ersten Schalteinrichtung vorgesehen ist, diese Schalteinrichtung beim Auftreten eines Extremwertes der vorgegebenen Polarität bewirkt, daß die Verzögerungsschaltung anspricht und die Abgabe eines Impulses durch den Ausgangsimpulsformer während eines vorbestimmten Zeitintervalls verzögert und nach Ablauf dieses Zeitintervalls einen Ausgangsimpuls durch den Ausgangsimpulsformer auslöst und ein Signal an eine zweite Schalteinrichtung abgibt, die den Entladeütromkreis schließt und die Entladung des Speichelelements auf einen Wert bewirkt, der kleiner als der kleinste zu erwartende nachfolgende Extremwert der vorbestimmten Polarität ist und die Entladung innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die der Zeit zwischen den am dichtesten aufeinanderfol genden Extremwerten einer Polarität entspricht, falls nicht während des vorbestimmten Verzögerungs-Zeitintervalls ein weiterer Extremwert dieser Polarität bewirkt, daß die Abgabe eines für einen Extremwert signifikanten Ausgangsimpulses wiederum bis zum Ablauf eines weiteren vorbestimmten Verzögerungs-Zeitintervalls verhindert wird. Die Verzögerungsschaltung bewirkt zunächst eine Speicherung eines »vorläufi-
gen« Maximalwertes,
Erst wenn die Zeitverzögerung abgelaufen ist, ohne daß ein größerer Extremwert zu einer weiteren Aufladung der Speichereinrichtung geführt hat, wird der »vorläufige« Extremwert als »richtig« erkannt, die Entladung der Speichereinrichtung ausgelöst und das verzögerte Signal zur Abgabe eines Impulses verarbeitet, der den Zeitpunkt des Extremwertes, um das eingestellte Zeitintervall verzögert, angibt Falls jedoch während der Verzögerungszeit ein größerer Extremwert auftritt, beginnt die Verzögerungszeit wieder von neuem.
Die Dauer des Verzögerungszeitintervalls, in welchem eine weitere Aufladung der Speichereinrichtung bzw. ein neuer Extremwert als unerwünschter Zwischenwert erkannt und ein neues Verzögerungs-Zeitintervall abgewartet wird, ist kleiner als der untere Grenzwert der zu erwartenden Periodendauer der Signale und andererseits größer als die Zeitspanne zu wählen, welche erforderlich ist, damit der Detektor sich voll auf den jeweiligen Extremwert des Signah aufladen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen werden, daß der Gleichrichter das Verhalten einer idealen Diode nachbildet und einen Verstärker, eine diesem nachgeschaltete Diode und einen sich über die Diode und den Verstärker erstreckenden Gegenkopplungszweig aufweist, der einen weiteren Verstärker mit hohem Eingangswiderstand aufweist und die Entladung des Speicherelements im gesperrten Zustand der Diode verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Beginn der Verzögerungszeit nach Maßgabe des Null-Durchgangs des Ladestroms der Speichereinrichtung festgestellt werden, indem zwischen das Speicherelement und die erste Schalteinrichtung ein Ladestrom-Diskriminator geschaltet ist, der einen Verstärker mit je einem gegensinnip gepolten nichtlinearen Schaltelement aufweist, dessen Ruhestrom dem Ladestrom entgegenge- setzt ist und welcher Ausgangssignale abgibt, deren einer Null-Durchgang dem Zeitpunkt der Umkehr der Stromrichtung im Gegenkopplungszweig und damit dem Erlöschen des Ladestroms entspricht und die erste Schalteinrichtung betätigt. Wenn der Ladestrom des Kondensators entgegengesetzt gleich dem Ruhestrom des Verstärkers wird, ändert sich die Polarität von dessen Ausgangsspannung. Der Null-Durchgang der Ausgangsspannung ist gegenüber dem Zeitpunkt des Erlöschens des Ladestroms nur durch die Größe des so Ruhestroms verschoben und ermöglicht damit eine wesentlich genauere zeitliche Fixierung des Extremwertes, als sie ohne die Polaritätsumkehr möglich wäre.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert.
Die Schaltungsanordnung besteht aus der Reihenschaltung einer Schaltung zur Nachbildung einer idealen Diode 1, einer Speichereinrichtung 2, eines Ladestromrichtungs-Diskriminators 3, einer Verzögerungsschaltung 4 und eines elektronischen Schalters 5, welcher im Entladekreis der Speichereinrichtung 2 liegt. Außerdem ist die Verzögerungsschaltung mit einem Impulsformer in Form eines Differenziergliedes 6 verbunden. Die vorgenannten Schaltungskomponenten sind im einzelnen folgendermaDeii aufgebaut:
Die Diodenschaltung weist einen mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A i verbundenen Widerstand R1. eine mit dem Operationsverstärker verbundene Diode D1 und einen sich Ober die Diode und den Operationsverstärker erstreckenden Gegenkopplungszweig auf. Dieser besteht aus einem als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker A 2, der über einen Widerstand R 2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A 1 verbunden ist
Die Speichereinrichtung besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes A3 und eines Kondensators Ci. Der Widerstand Λ3 ist gleichzeitig mit der Anode der Diode D1 und dem einen Ende eines Entladewiderstandes R 4 verbunden. Das freie Ende des Kondensators CX ist mit dem Ladestrom-Diskriminator verbunden.
Der Ladestrom-Diskriminator weist einen Operationsverstärker A 3 auf, dessen Gegenkopplungszweig aus zwei gegensinnig geschalteten parallel liegenden Dioden besteht Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers A 3 ist ebenso wie derjenige des Operationsverstärkers A 1 mit Masut verbunden.
Der Verzögerungsschaltkreis 4 besttiit im wesentlichen aus einem Transistorschalter, einem ÄC-Glied und einem nachgeschalteten Komparator.
Der Transistorschalter weist einen Transistor Tl auf, dessen Emitter auf Masse liegt, dessen Basis über eine Diode D 4 mit einem Ausgang des Operationsverstärkers /4 3 und über einen Widerstand R 5 mit dem Potential -12 V verbunden ist Das ÄC-Glied besteht aus der Parallelschaltung eines Widerstandes R 6 und eines Kondensators C2, wobei der eine Verbindungspunkt beider Elemente einerseits mit dem Kollektor des Transistors 7Ί und andererseits mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A 4 des Komparators verbunden ist Das andere Ende beider Elemente liegt auf dem Potential -12 V.
Der Komparator weist den Operationsverstärker A 4 auf, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand RS mit dem Potential -12 V und über einen Widerstand R 7 mit Masse verbunden ist
Der elektronische Schalter 5 weist einen Feldeffekt-Transistor T2 auf, dessen Source-EIektrode auf Masse liegt und dessen Gate-Elektrode einerseits über einen Widerstand R 9 mit Masse verbunden ist und andererseits über eine Diode D 5 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A 4 des Komparators verbunden ist. Die Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 7*2 ist über den Entladewiderstand R 4 mit dem Eingang der Speicherschaltung bzw. dem Widerstand A3 verbunden.
Das ausgangsseitige Differenzierglied besteht aus einem Kondensator C.3, der mit der Parallelschaltung einer Diode D 6 und ei;;es Widerstandes R10 in Reihe geschähet ist. Die Verbindung zwischen Kondensator C 3 und Widerstand R 9 bildet den Ausgang der Schaltung, während die Diode D 6 und der Widerstand R10 mit dem anderen Ende auf Masse liegen.
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Es wird davon ausgegangen, daß am Eingang der Diodenschaltung, d. h. am Widerstand R 1 ein bezüglich der Kurvenform und Amplitude veränderliches Signal auftritt, bei dem beispielsweise die Zeitpunkte der negativen Maxima genau bestimmt werden sollen. Während der negativen Halbwelle des Eingangssignals ist die Diode D1 leitend, und der Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers bewirkt, daß an der Kathode dieser Diode eine Spannung entsteht, welche gemäß der Bemessung der Widerstände Ri und R 2 der Einzanessoannune entspricht und
gegenüber dieser um 180° phasenverdreht ist. Demgegenüber sperrt die Diode D1 bei einem positiven Eingangssignal, so daß der Gegenkopplungszweig unterbrochen wird, der Verstärker die negative Sättigungsspannung abgibt und die Kathode der Diode D 1 auf dem vorher erreichten Potential verbleibt.
Während die Diode Di leitend ist, wird der Kondensator Cl aufgeladen, und der Ladestrom über die Diode D3 bewirkt eine Rückkopplung des Operationsverstärkers A 3 und erzeugt an dessen Ausgang eine negative Spannung. Beim Erreichen eines Maximalwertes des Eingangssignals wird der Ladestrom des Kondensators Ct kleiner als der Ruhestrom des Operationsverstärkers A 3, und der bisher durch den Ladestrom gelieferte Ruhestrom des Operationsverstärkers wird nunmehr über die Diode D 2 geliefert. Dies bewirkt eine Polaritätsumkehr der Ausgangsspannung beim Erlöschen des Ladestroms, so daß der gewünschten Ausgangsimpuls zur zeitlichen Fixierung des betreffenden Signalmaximums, welches zeitlich um die Haltezeit der Verzögerungsschaltung gegenüber dem tatsächlichen Auftreten des Maximums verschoben ist.
Bei einer derartigen positiven Flanke der Ausgangsspannung am Komparator A 4 wird gleichzeitig der Feldeffekttransistor 72 über die Diode D5 in den leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird der Entladewiderstand R 4 mit Masse verbunden, so daß der Speicherkondensator Cl sich über die Reihenschaltung der Widerstände R 3 und R 4 gemäß einer Exponentialfunktion entladen kann. Die durch den Widerstand /?6 und den Kondensator C2 bestimmte Halte/.eit und die durch den Kondensator Cl und die Widerstände R 3 und RA bestimmte Zeitkonstante des Entladevorgangs sind dabei derart bemessen, daß auch bei der kürzesten zu erwartenden Periodendauer der Signalmaxima
wirkt. Die Änderung der Stromrichtung im Rückkopp· lungs/weig des Diskriminators erfolgt geringfügig früher als das tatsächliche Erreichen des Signalmaximums, bedingt durch den kleinen Ruhestrom des Verstärkers A 3. Da dies jedoch nur eine vernachlässigbare Zeitverschiebung bewirkt, kann der Zeitpunkt des Nuildurehgangs von negativen zu positiven Ausgangsspannungen als Zeitpunkt für das Auftreten eines Signalmaximums gewertet werden.
Solange das Eingangssignal zunimmt und dadurch der .Speicherkondensator Cl aufgeladen wird, befindet sich der Ausgang des Verstärkers A 3 auf negativem Potential, so daß die Diode DA sperrt, der Transistor Π leitet und der Kondensator C2 der Verzögerungsschaltung aufgeladen wird. Sobald sich jedoch die Polaritä· der Ausgangsspannung des Verstärkers Λ 3 umkehrt, wird die Diode DA leitend, und der Transistor Ti wird gesperrt. Dadurch entlädt sich der Kondensator C2 über den Widerstand R6 gemäß einer Exponentialfunktion mit einer durch den Widerstand Rf) und den Kondensator C2 bestimmten Zeitkonstanten.
Der Operationsverstärker A A wirkt als Komparator und weist hierzu an seinem nichtinvertierenden Eingang einen Spannungsteiler auf. der ein Referenzpotential abgibt. Sobald nun die Spannung am Kondensator C2 diese Referenzspannung unterschreitet, schaltet die Ausgangsspannung des Komparators von einem negativen zu einem positiven Sättigungswert um. Der Spannungssprung am Ausgang des Komparators A A wird — näheningsweise — differenziert und ergibt den Jl Λ H-M .t\J weit entlädt, daß auch das kleinste zu erwartende nachfolgende Signalmaximum zu einer erneuten Aufladung des Kondensators führt bzw. nicht »verdeckt« wird. Dabei ist das Verhältnis der Amplituden der Signalmaxima welche in der kürzestmöglichen Zeit aufeinanderfolgen, als »Kurzzeitdynamik« des Eingangssignals der Schaltung bekannt und als vorgegeben vorausgesetzt. Der Entladekreis bleibt so lange geschienen, bis die Diode D\ vom Eingangssignal erneut durchgeschaltet wird. Wenn die Diode wieder
jo leitend wird und damit der Ladestrom durch den Kondensator C 1 wieder zu flieEen beginnt, nimmt die Ausgangsspannung des Verstärkers A 3 wieder ein negatives Potential an und öffnet den Transistor 7"1. Dadurch wird wieder der Kondensator C2 aufgeladen.
und am Ausgang des Komparators A 4 erscheint ein negatives Sättigungspotential, durch welches der Feldeffekttransistor Tl gesperrt und der Entladekreis unterbrochen wird.
Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Schaltung in verschiedener Weise abgewandelt werden kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die vorgenannte Schaltung hat sich insbesondere bei der Auswertung von bioelektrischen Signalen, beispielsweise modulierten Ultraschallsignalen, EKG-Signalen und Blutdrucksignalen, bewährt. Sie ist allgemein vorteilhaft anwendbar, wenn es darauf ankommt, den Zeitpunkt der Signalmaxima einer bezüglich der Kurvenform und Amplitude schwankenden Signalfolge
so genau zu bes:immen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Spitzenwert-Detektorschaltung zum Erzeugen impulsförmiger Signale beim Auftreten aufeinanderfolgender Extremwerte einer Polarität einer Signalfolge, mit einem Gleichrichter, einem Ober diesen geladenen Speicherelement, einem Ladestromrichtungs-Diskriminator, einer Entladeschaltung für das Speicherelement und einem Ausgangsimpulsformer, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsschaltung (4) mit einer ersten Schalteinrichtung (Ti) vorgesehen ist, diese Schalteinrichtung beim Auftreten eines Extremwertes der vorgegebenen Polarität bewirkt, daß die Verzögerungsschaltung anspricht und die Abgabe eines Impulses durch den Ausgangsimpulsformer (6) während eines vorbestimmten Zeitintervalls verzögert und pach Ablauf dieses Zeitintervalls einen Ausgangsinspuls durch den Ausgangsimpulsformer (6) auslöst und ein Signal an eine zweite Schalteinrichtung (T2) abgibt, die den Entladestromkreis schließt und die Entladung des Speicherelements (Cl) auf einen Wert bewirkt, der kleiner als der kleinste zu erwartende nachfolgende Extremwert der vorbestimmten Polarität ist und die Entladung innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die der Zeit zwischen den am dichtesten aufeinanderfolgenden Extremwerten einer Polarität entspricht, falls nicht während des vorbestimmten Verzögerungs-Zeitintervalls ein weiterer Extremwert dieser Polarität bewirkt, daß die Abgabe eine- für einen Extremwert signifikanten AusgangscTipulses wiederum bis zum Ablauf eines weiteren vorbi wimmten Verzögerungs-Zeitintervalls verhindert wird.
2. Spitzenwert-Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter das Verhalten einer idealen Diode nachbildet und einen Verstärker (A 1), eine diesem nachgeschaltete Diode (D 1) und einen sich über die Diode und den Verstärker erstreckenden Gegenkopplungszweig aufweist, der einen weiteren Verstärker (A 2) mit hohem Eingangswiderstand enthält und die Entladung des Speicherelements (Cl) im gesperrten Zustand der Diode (D 1) verhindert
3. Spitzenwert-Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromrichtungs-Diskriminator (A3; D2; D3) zwischen das Speicherelement (Ci) und die erste Schalteinrichtung (Ti) geschaltet ist, einen Verstärker (A3) mit je einem gegensinnig gepolten, nichtlinearen Schaltelement (D 2; D3) aufweist und dessen Ruhestrom dem Ladestrom entgegengesetzt ist und dieser Ausgangssignale abgibt, deren einer Null-Durchgang dem Zeitpunkt der Umkehr der Stromrichtung im Gegenkopplungszweig und damit dem Erlöschen des Ladestroms entspricht und die erste Schalteinrichtung betätigt.
DE2143971A 1971-09-02 1971-09-02 Spitzenwert-Detektorschaltung Expired DE2143971C3 (de)

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DE2143971A1 DE2143971A1 (de) 1973-03-15
DE2143971B2 DE2143971B2 (de) 1975-05-15
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