DE1791171C3 - Schaltung zur Messung niedriger Frequenzen, insbesondere zur Anwendung in einem Kardiotachometer - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung niedriger Frequenzen, insbesondere zur Anwendung in einem Kardiotachometer, bei der aus einem Multivibrator Meßfrequenz-Impulse einem mittelwertbildenden Tiefpaßfilter kleiner Zeitkonstante zugeführt werden und das Tiefpaßfilter über einen gegenphasig zur Unterdrückung der Wechselkomponente gesteuerten Verstärker mit dem Anzeigeinstrument verbunden ist.

Bekannte Kardiotachometer sind üblicherweise mit einem einfachen oder mit einem aus einer Vielzahl von passiven und auch aktiven Schaltelementen zusammengesetzten RC-Filter ausgestattet, dessen Eingang Impulse von genau definierter Größe und Zeitdauer zugeführt werden, die in ihrer zeitlichen Folge den einzelnen Herzschlägen entsprechen. An den Ausgang eines solchen Kardiotachometer ist ein Meßgerät geschaltet, Durch das Meßgerät fließt nur eine Gleichstromkomponente des Eingangssignals, die der Herzfrequenz proportional ist, sowie ein durch die Restwelligkeit gegebener Strom Die Restwelligkeit des Ausgangssignals, weiche durch die unvollständige Filterung des Impulssignals entsteht, verursacht, daß der Meßgerätezeiger im Beharrungszustand Ausschläge um den Nennwert im Rhythmus der Herzfrequenz aufweist. Diese Ausschläge beeinflussen die Genauigkeit der ^⁰ abzulesenden Angabe ungünstig. Durch die Erhöhung der Zeitkonstante des KC-Filters können die Zeigerausschläge bis auf einen beliebig kleinen Wert herabgesetzt werden. Dies hat aber zur Folge, daß auch langsame Zeitveränderungen der gemessenen Gleichstromkomponente, welche den Zeitveränderungen der Herzfrequenz des Patienten entsprechen in erhöhtem Maß der Filterune unterworfen werden, was eine Erhöhung der Zeitspanne, in welcher die Durchschnittsfrequenz ausgewertet wird, bedeutet. Die Anzeige des Meßgerätes folgt dann nicht getreu den schnellen Veränderungen der Herzfrequenz. Diese Erscheinung macht sich besonders am Anfang der Messung ungünstig bemerkbar. Der Zeiger läuft unter diesen Umständen nur sehr langsam aus der Nullage in die Nennlage. Infolgedessen ist eine einmalige Messung der Herzfrequenz mit Hilfe einer solchen Einrichtung sehr zeitraubend. Die Welligkeitsgröße hängt auch von der zu messenden Frequenz ab, und zwar derart, daß mit sinkender Frequenz die Welligkeit steigt. Es wird gewöhntlich ein Kompromiß zwischen der gewünschten Genauigkeit der Ablesung, d.h. der Ausschlaggröße und der erwünschten Geschwindigkeit der Beruhigung des Meßzeigers in der Nennl?ge beim Messen gewählt.

Es ist eine als Frequenzmesser dienende Schaltungsanordnung in der Literatur (»Neues aus der Technik« (Würzburg), Nr. 5, vom 1. September 1966, Seite 4) bekanntgeworden, weiche mit mindestens zwei Transistoren aufgebaut ist. Ziel dieser Schaltungsanordnung ist es, die Zeitkonstante RC verhältnismäßig klein zu wählen und doch selbst bei den tiefsten Meßfrequenzen die Anzeige an der Vorrichtung mit Leichtigkeit und Zuverlässigkeit abzulesen. Der eine Transistor z. B. vom pnp-Typ. liefert iinen im Rhythmus der Eingangsimpulse stark pulsierenden Strom, dessen Wechselstromkomponente durch den anderen Transistor, der z. B. vom pnp-Typ ist, ausgeglichen wird. Diese in der genannten Literaturstelle skizzierten Schaltungen weisen einen erheblichen Schaltungsaufwand auf und besitzen nicht ohne weiteres für alie Anwendungsfälle hinreichende Wirksamkeit.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit sehr einfachen Mitteln eine schnelle und hochgenaue Anzeige der gemessenen Frequenz zu erreichen.

Die Erfindung besteht darin, daß der Eingang des Tiefpaßfilters an den Ausgang des Multivibrators, der Ausgang des Tiefpaßfilters an die eine Klemme des Anzeigeinstrumentes und der Fußpunkt des Tiefpaßfilters an die Verbindung des Verstärkers, der eine von der Signalgröße abhängige Verstärkung aufweist, mit seinem Lastwiderstand geschaltet ist, an dessen andere Klemme die andere Klemme des Anzeigeinstrumentes geschaltet ist, und daß der Eingang des Verstärkers über ein Kopplungsglied mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters verbunden ist.

Der Verstärker wird zweckmäßigerweise durch einen einzigen Transistor dargestellt, der eine nichtlineare Kennlinie hat und daher eine von der Signalgröße abhängige Verstärkung aufweist. Mit diesen wenigen Schaltmitteln in der genannten Schaltung wird eine überraschend schnelle Einstellung und eine überraschend hohe Genauigkeit erreicht.

Das Kopplungsglied kann ebenfalls aus ganz einfachen Schaltmitteln, nämlich lediglich an einem Widerstand und einem Kondensator, die parallel geschaltet sind, bestehen. Auch der Tiefpaß braucht lediglich aus einem Widerstand und einem Kondensator zu bestehen.

Das Wesen der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch als Schaltbild dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

An den Ausgang einer Eingangssignalquelle 11, z. B. eines monosiabilen Multivibrators, ist ein Meßgerät !0 über ein Tiefpaßfilter 1 angeschaltet. Das Filter 1 mit Eingangsklemmen 2 und 3 ist mit seiner Ausgangsklemme 4 an eine Klemme des Meßgerätes 10 und mit seiner

Klerpme 3 über den Lastwiderstand 12 eines Verstärkers 5 an die andere Klemme des Meßgerätes 10 angeschaltet. Dieser Verstärker 5 ist durch einen einzigen Transistor gebildet. Die Eingangs! !emme 6 des Verstärkers 5 ist über das Kopplungsglied 9 mit der Ausgangsklemme 4 des Filters 1 und die Klemme 7 des Verstärkers 5 mit der Klemme 3 des Filters 1 verbunden Die Eingangssignalquelle 11, ein monostabiler Multivibrator, der bei jedem Herzschlag einen Impuls bestimmter Amplitude und Zeitdauer abgibt, ist zwischen die Klemme 2 des Filters 1 und die Klemme 8 des Meßgerätes 10 geschaltet.

Das Kopplungsglied 9 besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 14 und eines Kondensators 13 und das Tiefpaßfilter i aus einem Widerstand 15 und aus einem Kondensator 16.

Die als Eingangssignalquelle ti dienende monostabil Multivibrator wandelt die Impulse der zu messenden Frequenz in rechtwinklige Impulse einer genau definierten Größe und Zeitdauer um. Der Mittelwert des Verlaufes dieser Impulse in Abhängigkeit von der Zeit ist der zu messenden Frequenz proportional und wird durch die erfindungsgemäße Schaltung ausgewertet. Wenn der Arbeitspunkt des Transistors des Verstärkers 5 außerhalb des Arbeitsbereiches liegt, d. h. wenn der Transistor nicht verstärkt, kommt allein die Filterwirkung des Filters 1 zur Geltung. Die Zeitkonstanten dieses Filters 1 werden derart gewählt, daß die Filterwirkung des eigentlichen Filters klein ist, so daß sich die der gemessenen Frequenz entsprechende Angabe des Meßgerätes 10 sehr schnell ruhig einstellt. Die das Schwingen des Zeigers verursachende Restwelligkeit wäre aber sehr groß. Der Arbeitspunkt des Transistors des Verstärkers 5 wird aber in der Schaltung der Erfindung durch das Ausgangssignal des Filters 1, vor allem durch eine Gleichstromkomponente über das Kopplungsglied 8 gesteuert, und zwar derart, daß der Transistor in dem ganzen Bereich der zu messenden Frequenz verstärkt. Die verstärkte Welligkeit wird dann in der Gegenphase zum Ausgangssignal des Filters 1 addiert, was als eine Erhöhung seiner Filterwirkung angesehen werden kann, d. h. als äquivalente Erhöhung der Filterzeitkonstante. Wird im Verstärker 5 ein Transistor mit hinreichend großer Abhängigkeit des Stromverstärkungsfaktors von dem Arbeitspunkte verwendet, so ist die äquivalente Wirkung des Filtersystems Filter 1 — Verstärker 5 von der Gleichstromkomponente des gemessenen Signals abhängig, d. h. von der gemessenen Frequenz, und zwar derart, daß mit sinkender Frequenz die Filterwirkung steigt. Das System kann als Tiefpaßfilter mit einer automatisch gesteuerten Filterwirkung angesehen werden. Durch die geeignete Wahl der Schaltungselemente Äund Cdes Kopplungsgliedes 9 kann eine vollständige Frequenzunabhängigkeit der Restweiligkeitsgröße der Gleichspannung im Meßgerät 10 in dem ganzen gemessenen Frequenzbereich erzielt werden. Bei plötzlichen Veränderungen der zu messenden Frequenz, z. B. am Anfang der Messung, wenn die Anzeige des Meßgerätes 10 der Nullfrequenz entspricht, wird durch die im Ausführungsbeispiel der Zeichnung gewählte Gestaltung des Kopplungsgliedes 9 eine sprunghafte Veränderung der Spannung durch die Kapazität 13 des Kopplungsgliedes

9 direkt an die Basis des Transistors des Verstärkers 5 übertragen, so daß bei einer genügend großen Veränderung der Transistor leitet, bzw. nicht leitet. Es erfolgt in diesem Fall nur eine geringe Filterwirkung des eigentlichen Filters I₁ so daß der Zeiger des Meßgerätes

10 sich sehr schnei! dem Ruhezustand nähert, bis in unmittelbarer Nähe des Nennbereichs sich der Speisestrom des Transistors des Verstärkers 5 beruhigt, der Transistor verstärkt und die Größe seiner Welligkeit dem erwünschten Wert entspricht.

Die Einschaltung eines Transistors in den Meßkreis verschlechtert nicht die Genauigkeit der Messung hinsichtlich der Wärme- oder Zeitabhängigkeit durch den verwendeten Transistor, denn die Veränderung der Gleichkomponente des Kollektorstromes hat keinen Einfluß auf die Angabe des Meßgerätes 10.

Die erfindungsgemäße Meßschaltung ist vor allem für Kardiotachometer bestimmt, kann aber auch für jeden integrierenden Mittelwertmesser von niederfrequenten Impulsgrößen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Messung niedriger Frequenzen, insbesondere zur Anwendung in einem Kardiotachometer, bei der aus einem Multivibrator Meßfrequenz-Impulse einem mittelwertbildenden Tiefpaßfilter kleiner Zeitkonstante zugeführt werden und das Tiefpaßfilter über einen gegenphasig zur Unterdrückung der Wechselkomponente gesteuerten Verstärker mit dem Anzeigeinstrument verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (2) des Tiefpaßfilters (1) an den Ausgang des Multivibrators (11), der Ausgang (4) des Tiefpaßfilters (1) an die eine Klemme des Anzeigeinstrumen- ·5 tes (10) und der Fubpunkt (3) des Tiefpaßfilters (1) an die Verbindung des Verstärkers (5), der eine von der Signalgröße abhängige Verstärkung aufweist, mit seinem Lastwiderstand (12) geschaltet ist, an dessen andere Klemme (8) die andere Klemme des Anzeigeinstrumentes (10) geschaltet ist, und daß der Eingang des Verstärkers (5) über ein Kopplungsglied (9) mit dem Ausgang (4) des Tiefpaßfilters (1) verbunden ist.

2. Schallung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9) aus der Parallelschaltung eines Kondensators (13) und eines Widerstandes (14) aufgebaut ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (1) aus einem Widerstand (15) und einem Kondensator (16) aufgebaut ist.