Das EMG-Biofeedback-Gerät
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
EMG-Biofeedback, (auch) ein Bastelprojekt!
Einleitung zum Thema Elektromyographie (EMG)
Die Neurophysiologie befasst sich mit der Funktionsweise des
Nervensystems. Im Bereich der Muskeln gilt die Betrachtungsweise der
Motorischen Einheiten. Der erste Link in diesem Elektronik-Minikurs
erklärt dies u.v. a. genauer.
Gewisse Kenntnisse in diesem Gebiet empfehlen sich, wenn man mit
elektronischen Schaltungen zu tun hat, die dem Studium oder einer
praktischen Anwendung messtechnischer Art dienen. Dazu zählen die
Analyse von Myopathien (Muskelerkrankungen) und die Behandlungen mittels
EMG-Biofeedback mit akustischem oder optischem Feedback. Betreffs
Analyse von Myopathien, messbar mit Oberflächenelektroden oder mittels
feinen Drähtchenelektroden intramuskulär in der Nähe der Nervenbahnen.
Je nach dem was man messen will.
Für diesen Bereich entwickelte ich zur Forschung und praktischer
Anwendung die dazu notwendigen Geräte. Dies brachte mich auf die Idee
für Studierende im Bereich der Elektrotechnik ein Praktikum zu
realisieren. Nachdem ich pensioniert wurde, kam ich auf die weitere Idee
diesen speziellen Elektronik-Minikurs zu schreiben. Dabei lernt man alle
Elektronik-Minikurse kennen, die es längst gibt, die auch mit EMG etwas
zu tun haben. Auf diese Weise ist dieser Elektronik-Minikurs mit diesen
andern mit lokalen Links vernetzt. Diese andern Minikurse dienen als
Grundlagen, die aber bereits allgemeine Grundlagenkenntnisse der
Elektronik voraussetzen.
Es folgt der erste Link:
Elektro-Myographie (EMG) eine kleine Einführung
mit den folgenden Themen:
-
1. Was ist Elektro-Myographie?
2. Motorische Einheiten
3. Elektrische Signale
4. Wie misst man das Aktionspotenzial?
5. Was bezweckt man mit EMG und iEMG?
6. Elektroden: Selfmade der kleinen Mess-Elektroden. (Siehe Foto oben.)
7. Akustisches EMG-Bio-Feedback (Therapeutischer Ansatz)
8. EMG-Biofeedbackgerät (Blockschaltbild)
9. Ein EMG-Messgerät (Blockschaltbild)
Ursprünglich diente der Inhalt dieses
Elektronik-Minikurses einem Praktikum am
Institut für Signal- und Informationsverarbeitung
der ETH-Zürich.
Für Anfragen per EMail, bitte direkt an
mich.
Anwendung beim Patienten
Es ist durchaus möglich dieses kleine Gerät, im Bereich der Physiotherapie, an einem Patienten einzusetzen, z.B. für eine Trainingsaufgabe in Zusammenhang mit einem Muskelleiden. Dies wurde als Versuch in Zusammenarbeit mit einer Zürcher Klinik vor langer Zeit praktiziert. Zusätzlich zur Behandlung und Datenerfassung in der Klinik mit einem komplexen und teuren Gerät, wurde das kleine EMG-Biofeedback-Gerät dem Patienten mit nach Hause gegeben, damit er selbst an seinem Muskeltraining weiter arbeiten kann. Dies jedoch mit leicht fixierbaren medizinischen Elektroden. Die Fixierung mit Klebeband der selbst gebastelten Elektroden aus Printmaterial ist etwas umständlich. Diese Elektroden eignen sich eher für eine Demo oder etwas Spielerei (z.B Armmuskel spannen und hören wie hoch die Tonfrequenz aus dem Lautsprecher tönt oder den Muskel entspannen und hören wie tief die Tonfrequenz sinkt).
Einleitung zur Elektronik
Optimierung mal anders: Die Schaltung könnte man vielleicht
einfacher und mit weniger Komponenten gestalten. Ich habe mich jedoch
absichtlich nicht näher damit befasst, weil mich etwas anderes mehr
interessierte. Nämlich, damals den Studierenden und aktuell dem Leser
die Möglichkeit bieten, mit einer vielseitigen Schaltung
unterschiedliche Funktionen kennen zu lernen, die einzeln auch für
andere Aufgaben im Bereich der Elektronik interessant sein können. Es
soll zusätzlich die Fantasie anregen.
Ein paar Hinweise zum folgenden Text:
Um lange Begriffe zu vermeiden, werden einige gekürzt:
* Potentiometer ---> Potmeter, eher Poti
* Trimmpotentiometer ---> Trimmpoti
* Elektrolytkondensator ---> Elko
* Keramikkondensator ---> Kerko
* Operationsverstärker ---> Opamp
Im Blockschema (Bild 1) und im Schaltschema (Bild 2) sind elektronische
Teile in englisch beschriftet. Die Texte dazu jedoch stets in deutsch.
Ein Beispiel: Instrumentationsverstärker liest man im Text. Im
Schaltschema (Bild 2) steht Instrumentation-Amplifier. Oder im Text
liest man von Verstärkung, im Schaltschema steht Gain.
Widerstände mit einer 1 in den rechteckigen Widerstandssymbolen
bedeuten, dass es Widerstände sind mit einer Toleranz von ±1 %. Das
Elko-Symbol von C1 beim Instrumentationsverstärker IC:A ist eigentlich
nicht zulässig. Dies kommt davon, dass es früher spezielle Elkos gab,
welche mit maximal 30 % falsch gepolter DC-Spannung zulässig waren.
Diese Elkos waren deshalb beschränkt AC-fähig und darum hier geeignet.
Mehr zu diesem Thema im im Kapitel "Die Schaltung" im im
Abschnitt "Das C1-Kondensator-Problem". Eine alternative Lösung
ist aktuell der Einsatz eines Kerko mit gleich grosser Kapazität. Dies
gab es damals noch nicht, oder der Kerko war mit solch hohen Kapazitäten
sündhaft teuer.
Schemata bitte ausdrucken! Es beginnt mit einem BLOCKSCHEMA
(Bild 1) und setzt sich fort mit dem Schaltschema "DIE SCHALTUNG" (Bild
2). Es empfiehlt sich beide Schemata auszudrucken, weil man diese Bilder
beim Lesen des Textes stets braucht. :
* * * * *
BLOCKSCHEMA
* * * * *
* * * * *
DIE SCHALTUNG
* * * * *
Mit einem entsprechend grossen Monitor kann man beide Bilder auch in die
Arbeitsfläche integrieren.
Das Blockschema
Teilbild 1.1 zeigt die einzelnen Funktionseinheiten und erklärt wozu sie
dienen. V1 (V = Verstärker) besteht aus drei Opamps, die den
Instrumentationsverstärker bilden, um die externen sehr niedrigen
AC-Spannungen (EMG) differenziell zu verstärken. Das passive
Hochpassfilter HP bildet die Gegenkopplung. Weil die Verstärkung von
DC-Spannungs-Anteilen unerwünscht sind, benötigt es zusätzlich den
Kondensator. Die RC-Grenzfrequenz von HP liegt bei 10 Hz.
Wir betrachten jetzt kurz Teilbild 1.2. Hier wird gezeigt, wie die
Referenzspannung Ux (2.6 VDC) die gesamte Schaltung erreicht. Ux ist der
Arbeitspunkt, weil nur eine positive Betriebsspannung (Single-Supply) im
Einsatz ist. +Ub und nicht ±Ub. Ux kontaktiert die Abschirmung des
2-adrigen Kabel zu den Elektroden. Die Abschirmung leitet Ux direkt zur
grossflächigen Referenz-Elektrode. Diese ist kontaktiert an einer
beliebigen Hautstelle.
Von dieser Referenz-Elektrode geht Ux via dem Hautwiderstand R_H zu den
beiden kleinen EMG-Mess-Elektroden, die dort am Muskel fixiert sind,
dessen EMG-Aktivität für das EMG-Biofeedback benutzt wird. Zwischen
Elektrode und Haut kommt eine Leitpasta zum Einsatz. Dazu eignet sich
z.B. eine Feuchtigkeits-Creme oder eine beliebige leitfähige Emulsion
(Wasser-Fett-Gemisch). Mit Mayonnaise geht es auch... :-)
Jetzt wieder zu Teilbild 1.1 und auch 1.2. Von diesen beiden
Mess-Elektroden wird Ux weiter zum gesamten System übertragen. Von
V1 zu V2 zu V2a zum Synchron-Gleichrichter
und zum Integrator. Bevor es zum VCO (Spannungs-Frequenz-Wandler)
und Audio-Endverstärker kommt, erfolgt die Kompensation der Ux-Spannung.
Man erkennt dies daran, dass zwischen dem Synchron-Gleichrichter und dem
Integrator (Ux) steht und danach zwischen Integrator und VCO nicht mehr.
Was bedeutet Ux in Klammern? (Ux) enthält nicht nur die Referenzspannung
Ux. Ux wird überlagert mit der EMG-Spannung an den Eingängen -IN und +IN
beim Instrumentationsverstärker V1. Das gilt ebenso mit der verstärkten
EMG-Spannung im gesamten Übertragungspfad bis und mit
Vollweg-Synchron-Gleichrichter und Integrator. Zwischen dem Integrator
und dem VCO arbeitet die Ux-Kompensation Ux-COMP.
Wenn die verwendeten Opamps rail-to-rail-fähig wären, könnte man Ux auf
exakt 3 VDC einstellen (Bild 2: R10 = R11). Ux wäre dann symmetrisch zu
+Ub und GND. Dies ist beim LinCMOS-Opamp nicht möglich, weil dieser zwar
bis auf GND, aber nicht bis auf +Ub gesteuert werden kann. Deshalb Ux
= 2.6 VDC bei einer Betriebsspannung +Ub = 6 VDC. Es ist dem geneigten
Leser jedoch freigestellt nach passenden Rail-to-Rail-Opamps zu
evaluieren. Man muss dann sehr genau die Datenblätter vergleichen. So
lange es die LinCMOS-Opamp-Familien gibt, lohnt sich dieser Aufwand wohl
kaum.
Die EMG-Verstärkung mit V1 erfolgt differenziell mit dem kleinen
Elektrodenpaar an den Eingängen -IN und +IN. Von V1 geht die verstärkte
EMG-Spannung, bezogen auf Ux, zu V2, einer kleinen Verstärkerschaltung
mit der einstellbaren Verstärkung (GAIN) zwischen 10 bis 200. Das
nachfolgende Tiefpassfilter, mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz, soll
durch die Reduzierung der Frequenzbandbreite die Rauschspannung dämpfen.
In Wirklichkeit (Bild 2) ist dieses Tiefpassfilter in der
Verstärkerschaltung V2 integriert. Darum auch die Bezeichnung V2a.
Mit 6 VDC (+Ub) wird die gesamte Elektronik versorgt. Die Spannung von
Ux beträgt 2.6 VDC. Ux ist verbunden mit der Referenzelektrode,
abgebildet im zweiten Foto (siehe oben) mit einer kleinen Alustange.
Diese eignet sich um sie in der einen Hand zu halten. Ansonsten benutzt
man eine grossflächige Elektrode auf der Haut fixiert oder ein so
genanntes Erdband, das man um einen Arm herum fixiert. Ein so genanntes
Antistatikband, das dem Zweck dient elektrostatische Spannungen zu
entladen, eignet sich hier nicht, weil ein relativ hochohmiger
Widerstand integriert ist.
Die EMG-Spannung zwischen den beiden Mess-Elektroden ist sehr niedrig.
Bei entspanntem Muskel etwa 5 µV, bei Muskelanspannung einige 10 selten
auch deutlich mehr als 100 µV. Das ist u.a. abhängig vom Alter des
Probanden, wie ich mal an einem "Tag der offenen Tür" mit einigen
Probanden feststellen konnte. Wie auch immer, diese Spannung muss man
massiv verstärken. Die erste fixe Spannungsverstärkung von 100 übernimmt
die Instrumentationsverstärkerschaltung V1. V2 erlaubt eine variable
Verstärkung zwischen 10 und 200. Die einstellbare Gesamtverstärkung
liegt zwischen 1'000 und 20'000. Nachfolgend ein Tiefpassfilter mit
einer Grenzfrequenz von etwa 1 kHz. Der Zweck dieses Filters ist bereits
erklärt.
Hüllkurve: Darauf folgt eine synchrone Vollweg-Gleichrichtung die
keine Dioden benötigt. Im Anschluss folgt ein passiver Integrator mit
einer einstellbaren Zeitkonstante zwischen 50 ms und 1s. Damit kann man
einstellen, wie schnell die verstärkte und gleichgerichtete EMG-Spannung
zum VCO folgen soll. Der Integrator arbeitet als Hüllkurven-Demodulator.
Diese Hüllkurven-Spannung steuert den VCO. Je höher die Spannung am
VCO-Eingang, um so höher die VCO-Frequenz. Der VCO ist Teil der
integrierten PLL-Schaltung CD4046. Der VCO erlaubt einen nur sehr
geringen Strom am Ausgang. Dieser muss mit dem nachfolgenden
Endverstärker verstärkt werden. Das VOLUME-Potmeter ist symbolisch
direkt mit dem Endverstärker verbunden. Die Wirklichkeit zeigt die
Schaltung in Bild 2.
Hier die Wiki-Seite zum Thema
Hüllkurven-Demodulator
und davon das vergrösserte
Hüllkurven-Bild.
Das schwarze Signal symbolisiert die eigentliche EMG-Spannung im
Frequenzbereich von wenigen 100 Hz bis knapp etwa 1 kHz. Das rote Signal
ist die Umhüllende (Hüllkurve). Dieser Frequenzbereich ergibt sich durch
die Einstellung des Integrators zwischen 50 ms (schnell) und 1s
(langsam). Wegen der Gleichrichtung kommt nur die positive oder negative
Hüllspannung zum Einsatz. Das ist genau so wie beim Langwellen-,
Mittelwellen- und Kurzwellenradio mit der
Ampltuden-(De)Modulation.
Man beachte die Diagramme unter dem Kapitel "AM-Demodulation". Der VCO,
der Endverstärker und das Netzteil sind, gleich nachfolgend, nur im Text
zu Bild 2 erklärt.
Die Schaltung
Datenblätter: Es folgen zuerst in Reihen hintereinander Links zu
den Datenblättern von einigen Bauteilen, die benötigt werden. Das sind
die Opamp und diejenigen der selben Typen mit abweichenden Parametern,
die wir vergleichend z.T. kurz betrachten zur Begründung warum diese
Typen gerade nicht empfehlenswert sind.
Ein Beispiel: Für IC:A eignet sich der TLC274, jedoch nicht der TLC27M4
und ebenso nicht der TLC27L4. Mehr dazu weiter unten im Abschnitt
"LinCMOS-Opamp von Texas-Instruments". Weiter geht es um
IC:E, IC:F, JFET T1, MOSFET T2, und die Dioden betreffs Datenblätter.
Der JFET BF245A ist obsolet, aber es gibt noch kleinere Distributoren
die den BF245A noch am Lager haben. Sonst gilt alternativ der J113. J113
ist nicht pinkompatibel mit BF245A. Das Problem beim Löten ist aber
minimal. Bauteile mit einem * sind solche die im Einsatz sind und
solche die alternativ sich für den Einsatz eignen.
-
WICHTIGER HINWEIS!
Die Erklärung der Funktionsweise der Schaltung in Bild 2 ist etwas kurz
gehalten. Man beachte die Linkhinweise in den eckigen Klammern
[HTMx]. x ist die Nummer, zugeordnet zu den einzelnen
Schaltungsdetails. Zum Beispiel der Instrumentationsverstärker (IC:A2-A4)
mit [HTM1], der eingangsseitige Überspannungsschutz (Dioden:
D1-D4) mit [HTM2] oder der Synchron-Gleichrichter (IC:C1,C2) mit
[HTM3]. Es folgen der Integrator mit Ux-Kompensation und den VCO
mit [HTM4]. [HTM5] befasst sich mit dem Audioteil,
speziell mit der Funktion von C9, R28 hnd D6.
Im letzten Kapitel "Links" gibt es zu jedem [HTMx] den
passenden Elektronik-Minikurs-Link, geeignet zur Vertiefung des Thema.
Man kann auch jederzeit hier unterbrechen und in einem solchen
Elektronik-Minikurs weiterlesen und sich informieren. Will man diese
Linkliste und diesen Elektronik-Minikurs gleichzeitig auf dem Monitor
haben, was auch empfehlenswert ist, kann man gleich hier auf
Links-Separat
klicken und dann mit der Maus die Fenstergrösse anpassen. Auf diese Art
hat man den schnellsten Zugriff zu den ergänzenden Inhalten im
geeigneten Elektronik-Minikurs.
LinCMOS-Opamp von Texas-Instruments: Im Einsatz sind der
Quad-Opamp IC:A TLC274, die beiden Dual-Opamp IC:B und IC:C TLC27M2 und
der Single-Opamp TLC271.
IC:A2-A4 bilden den Instrumentationsverstärker [HTM1]. Hier kommt
es drauf an, wegen der Messung sehr kleiner Spannungen, das
Eigenrauschen niedrig zu halten. Man hat die Wahl zwischen TLC274 mit
niedrigster Rauschspannung, TLC27M4 mit etwa 1.3-facher und TLC27L4 mit
knapp dreifacher Rauschspannung. Das M bedeutet Mediumpower und das L
Lowpower. Das ist stets so u.a. bei diesen CMOS-Opamp-Familien, je
niedriger die Wahl der Rauschspannung, um so höher ist der
Leistungsverbrauch, und umgekehrt.
Die Frequenzbandbreite ist ebenfalls höher, desto höher der
Leistungsverbrauch ist. Die Priorität hat hier eine niedrige
Rauschspannung, also muss man einen höheren Leistungsverbrauch, bzw.
Strombedarf akzeptieren. Dieser beträgt beim rauscharmen TLC274 typisch
etwa 3 mA, beim TLC27M4 typisch etwa 0.5 mA und beim TLC27L4 nur 40 µA.
Man hat also, je nach Anwendung, eine gute Auswahl.
Diese Unterschiede sind gross und man muss sie besonders dann
berücksichtigen, wenn Batteriebetrieb gefragt ist. Dies trifft hier zu.
Ein Kompromiss ergibt sich mit der Wahl von M-Typen nur gerade für die
Dual-Opamps IC:B und IC:C (TLC27M2). Das Verhältnis von Signal- zur
Rauschspannung ist deutlich grösser. Wie die Schaltung mit IC:B
zusätzlich die Rauschspannung dämpft, liest man weiter unten im
Abschnitt "Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter".
IC:D (TLC271) ist ein Einzel-Opamp bei dem man den so genannten
Bias-Mode selbst, in drei Stufen, wählen kann. Wenn Pin 8 auf +Ub (hier
6 VDC) gesetzt ist, ist der Betriebsstrom am niedrigsten. Siehe Seite 3
im TLC271-Datenblatt Figure 1. Dies kann man sich hier leisten, weil nur
eine sehr langsame Spannungsänderung, die Hüllkurve der verstärkten
EMG-Spannung, verarbeitet werden muss, für die Steuerung des VCO IC:E
(CD4046). Diese sehr niedrige Frequenz wird durch eine Änderung der
EMG-Spannung erzeugt. Dies kann z.B. die Entspannung des Muskels sein,
den man gerade testet.
Instrumenationsverstärker: Zurück zum Instrumenationsverstärker
[HTM1], realisiert mit drei Opamp mit einem Quad-Opamp des Typs
TLC274 (IC:A2-A4). Die Gesamtverstärkung beträgt fix 100, erzeugt durch
IC:A2,A3. IC:A4 arbeitet mit Verstärkung 1. IC:A4 erzeugt aus der
Differenz-AC-Spannung eine AC-Spannung bezogen auf die Referenzspannung
Ux. Trimmpoti TP1 dient dem exakten Abgleich für die maximale
Unterdrückung eines Gleichtaktsignalanteils. Dies ist der Fall, wenn
R9+TP1 = R8. TP1 muss ein Mehrgang-Trimmpoti sein, damit der
optimale Abgleich leicht einstellbar ist. Gelingt dies nicht, wird
eine allfällige Gleichtakt-Störspannung an den Eingängen -INP und +INP
schlecht unterdrückt.
Das C1-Kondensator-Problem: Als ich diese Schaltung realisierte,
gab es kleine polarisierte Elkos, welche eine inverse DC-Spannung von 30
% der DC-Nennspannung erlaubten. Also waren diese Elkos auch für
AC-Spannungen in diesem begrenzten Bereich zulässig. Diese Produkte
waren von der Firma
VISHAY.
Nach einigen Semstern des EMG-Praktikum wurde die Produktion dieser
Elkos eingestellt. Mehr dazu, mit praktischen Anwendung, liest man
speziell im Elektronik-Minikurs [HTM1a]. Man liest von der
alternativen Lösung mit damals noch teuren
Keramik-Multilayer-Kondensatoren (Kerko) mit der Problematik der
Piezo-Empfindlichkeit, was besonders im Bereich von sehr kleinen
AC-Spannungen (Signalspannungen: EMG, EKG, Audio, etc.) störend ist.
Beim geringsten mechanischen Kontakt mit einem harten Objekt am Print
oder sogar am Gehäuse kann der Kerko Spannungsimpulse erzeugen, welche
die EMG-Spannung stören.
In der Zwischenzeit hat sich einiges verändert. Es gibt aktuell winzig
kleine SMD-Kerko mit den selben Daten, wie eine Kapazität von 10 µF und
einer Nennspannung von 16 VDC. Getestet in Verbindung mit der Schaltung
habe ich von CONRAD das Produkt 127'90'74. Die Piezo-Empfindlichkeit ist
sehr gering. Mit leichtem Klopfen mit einem Zahnstocher direkt auf den
Kerko erzeugt man Spannungsimpulse von etwa 25 µV am Ausgang des Opamp
IC:A4 (Pin 7). Das tut ja niemand. Beim Klopfen auf die Printfläche
gleich neben dem SMD-Kerko liegt der Impuls unterhalb der
Rauschspannung, zur Hauptsache erzeugt durch die Opamp IC:A2,A3.
Man öffne das Foto
mit dem bestückten Print. Alternativ kann man einen kleinen
Wickelkondensator MKS2 von WIMA mit einer Kapazität von 10 µF und einer
Nennspannung von 50 VDC (CONRAD: 450'662) auf die Print-Bauteilfläche
kleben. Das rote Reckteck symbolisiert den geklebten Wickelkondensator
MKS2 (C1b). Die beiden schwarzen Punkte sind die Anschlüsse. Diese
verlötet man mit je einem kurzen isolierten feinen Draht mit den
Lötaugen auf dem Print von C1. Man beachte die feinen blauen Linien mit
den Pfeilen. C1a ist der spezielle Elko, wie beschrieben und den es
nicht mehr gibt. Im Gegensatz zur Anwendung mit einem Kerko, hat man die
Gewissheit, dass es sicher ganz sicher keinen Piezo-Effekt geben kann,
falls man die Schaltung zu einem andern Zweck z.B. nichtbiologische
präzise Messtechnik einsetzen will. Dies jedoch trifft hier nicht zu.
Wozu braucht es R3 mit C1: R3 erzeugt mit R4 und R5 die fixe
Verstärkung von 100. Ohne C1 (C1 überbrückt) von 0 Hz (DC) bis zur
-3dB-Grenzfrequenz von etwa 17 kHz, resultierend aus der Verstärkung von
100 und der Unity-Gain-Bandreite von 1.7 MHz. Siehe TLC274-Datenblatt.
17 kHz sind zuviel. Dies hat einen signifikanten Nachteil. Mehr dazu im
Abschnitt "Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter" und gleich
nachfolgend "Wozu das Tiefpassfilter?". Es geht dabei um den
Kompromiss von niedriger Rauschspannung und dass man dafür eine
niedrigere Frequenzbandbreite in Kauf nimmt. Für die Anwendung des
EMG-Biofeedback mit Haut-Elektroden, genügt eine obere Grenzfrequenz von
1 kHz.
Ohne C1 (C1 überbrückt) wird nicht nur die AC-Eingangsspannung von den
Elektroden, es wird auch die DC-Offsetspannung von IC:A2 und IC:A3
verstärkt, die auch noch temperaturabhängig ist. Ohne C1 (C1 überbrückt)
hat dies weiter zur Folge, dass am Ausgang von IC:A4 eine
DC-Offsetspannung von 100 mV oder mehr anliegt. Mit C1 sind es typisch
etwa 1 mV.
Dieses R3*C1-Glied erfüllt noch einen ganz andern Zweck. Die Elektroden
liefern nicht nur die EMG-Spannung. Es entsteht auch eine elktrochemische
Spannung zwischen der Hautoberfläche und dem Elektroden-Metall. Die
stets etwas feuchte Hautoberschicht erzeugt ein Elektrolyt. Als
Elektrolyt bezeichnet man eine chemische Verbindung, die im festen,
flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen
dissoziiert
ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet
bewegt. Mehr dazu im
Wiki.
Diese elektrolytisch bedingten gleichgepolten DC-Spannungen der beiden
Elektroden subtrahieren sich, jedoch nicht vollständig. Es bleibt noch
eine DC-Restspannung im mV-Bereich (leicht 10 mV möglich!) und dies
stört, weil diese DC-Spannung ohne C1 verstärkt wird. Das passive
Hochpassfilter R3*C1 vermeidet diese unerwünschte DC-Verstärkung. Mehr
zu diesem Teil-Inhalt liest man
hier [HTM1] im Kapitel
"Instrumentationsverstärker nur für Wechselspannungen" mit den
Bildern 7 und 8.
Am besten gleich jetzt lesen...!
Überspannungsschutz [HTM2] an den Eingängen: Gemäss
"absolute maximum ratings" gilt für LinCMOS-Opamps, dass
die Eingangsspannung nicht höher als die Betriebsspannung +Ub und nicht
niedriger als -0.3 V unter GND sein darf. Dies muss man dann ganz
speziell berücksichtigen, wenn eine mittel- oder sogar niederohmige
Spannungsquelle mit dem Risiko von zu hohen Spannungswerten zum Einsatz
kommt. Dann sollte man auf jeden Fall zwischen dem
Knotenpunkt
von den Dioden D1,D2 und dem Opamp-Eingang Pin 3 von IC:A2 einen
zusätzlichen Widerstand einfügen, damit ein allfälliger Stromfluss durch
die Diodenflussspannung begrenzt wird. Das selbe gilt für D3,D4 und Pin
12 für IC:A3. Hier ein
Beispiel
aus [HTM2], jedoch mit ±Ub als Betriebsspannung. Siehe R2 und R4. Diese
zusätzliche Massnahme ist hier nicht notwendig.
Wie kommt es mit den Elektroden zur Überspannung? Wenn das Kabel
angeschlossen am Gerät und im eingeschalten Zustand offen herumliegt,
ist das Risiko gegeben. Ist man selbst auch noch elektrisch aufgeladen,
man erhebt sich z.B. von einem Kunststoffstuhl und berührt dabei eine
oder beide Elektroden, dann kann es sein, dass spontan und sehr
kurzzeitig z.B. 1000 V an diesen Elektroden liegen. Diese so genannte
elektrostatische Spannung wird aber sofort mit den schnellen Dioden
D1-D4, je nach Spannungspolarität, nach GND oder +Ub abgeleitet.
Wenn man sich speziell für die elektrostatische Spannung interessiert,
dann zur gelegentlichen Auflockerung den folgenden Artikel aus der
Zeitschrift
NEXUS lesen.
Mit dem Thema hier hat es nichts zu tun.
Variabler Verstärker mit Tiefpassfilter:
Der Instrumentationsverstärker IC:A2-A4 hat eine fixe Verstärkung von
100. Die beiden nachfolgenden Verstärker mit IC:B1 und IC:B2 verstärken
mit fix 11, bzw. mit fix 21. Weil beide Teile je ein Tiefpassfilter
enthalten mit C4*R12, bzw. C5*R15, erfolgt im Übertragungsbereich
ebenfalls eine schwache Dämpfung. Deshalb genügen die ungefähren Angaben
der Verstärkungen mit 10 bzw. 20. Das Produkt der beiden Verstärkungen
beträgt etwa 200. Multipliziert mit der Verstärkung des
Instrumentationsverstärkers (IC:A2-A4) von 100, resultiert eine
maximale Gesamtverstärkung von 20'000. Potmeter P1 GAIN ist dabei am
rechten Anschlag (Pfeil nach oben). Der minimale Wert, Potmeter P1 GAIN
ist am linken Anschlag (Pfeil nach unten), beträgt 1000.
Wozu das Tiefpassfilter?: Zu diesem Thema gibt es einen
speziellen Elektronik-Minikurs mit dem Titel "Rauschdämpfung mit
Tiefpassfilter"
[HTM6].
Wichtiges Kapitel in diesem Elektronik-Minikurs ist
"Rauschverminderung durch Begrenzung des Frequenzbandes". Es
empfiehlt sich, wenn auch nicht sofort, den ganzen Inhalt zu lesen.
Ausgang EMG-TEST: Der Signaltest an diesem Ausgang mit einem
Oszilloskop zeigt, ob der Verstärkerteil mit IC:A und IC:B richtig
arbeitet. Dazu muss man ein symmetrisches Testsignal an -INP, +INP, Ux
einspeisen. Für den Schnelltest eignet sich der
EMG-Testgenerator
und zum genauen Signaltest die Schaltung im Link zu
Amplifier-Attenuator mit symmetrischem Ausgang.
Siehe unter Kapitel "Links" etwas weiter unten
"Es folgen Links zu Testschaltungen".
Referenzspannungsquelle: Diese Schaltung mit dem Opamp IC:A1 ist
ausführlich im VCO-Elektronik-Minikurs
[HTM4]
beschrieben. Siehe im Kapitel
"Komfortable VCO-Schaltung mit Wechselspannungseingang"
mit Bild 5 (Opamp IC:A1).
Synchron-Gleichrichter: Diese Schaltung (IC:C1,C2) arbeitet als
Vollweggleichrichter. Die Funktionsweise ist ausführlich im
gleichnamigen Elektronik-Minikurs
[HTM3]
beschrieben. Ein wichtiger Hinweis dort: Der JFET BF245a,b,c gibt es
nicht mehr. Alternativ zum bisherigen BF245A empfehlen sich J113 oder
PN4393. Diese sind mit BF245A nicht pinkompatibel. Die Anpassung mit den
drei Drähten des J113 oder PN4393 ist jedoch keine "Hexerei" auf einem
bestehenden Printlayout mit der BF245-Anordnung von Drain, Source und
Gate. Wobei man bei den JFETs Drain und Source ohne Nachteil vertauschen
darf. Darum kann man JFETs sehr einfach auch als diskrete
Analog-Switches einsetzen. Bei Interesse, mehr dazu liest man
hier.
TIME-CONST, Ux-Kompensation und VCO: Am Ausgang von Pin 7 des
Opamp IC:C2 liegt konstant die Referenzspannung Ux mit 2.6 VDC. Um diese
DC-Spannung zu messen, muss man die beiden Eingänge -INP und +INP mit Ux
verbinden. An diesem Ux-Anschluss hat es ein Kerko Ck (100 nF) nach GND,
um allfällige HF-Störungen von Aussen abzublocken.
Alle Blockkondensatoren (Ck) sind Kerko mit einer Kapazität von
100 nF!
Wenn anstelle dieser direkten kurzschliessenden Verbindung die
Mess-Elektroden und die Referenzelektrode am Körper kontaktiert und an
-INP, +INP und Ux angeschlossen sind, gibt es zur Ux-Referenz-Spannung
von 2.6 VDC die Überlagerung der verstärkten und
vollweg-gleichgerichteten EMG-Spannung an Pin 7 von IC:C2.
Nochmals,- nicht vergessen, die Referenz-Elektrode muss am Körper
fixiert und an Ux angeschlossen sein, weil die Referenzspannung Ux via
Körper zu den Anschlüssen -INP und +INP übertragen werden muss. Die
selben Überlegungen gelten, wenn anstelle des Körpers z.B. dieser
EMG-Testgenerator
angeschlossen wird. Dieses Gerät dient einem Schnelltest für
EMG-Biofeedback-Geräte und EMG-Messgeräte mit denen man zum Teil u.a.
auch intramuskulär messen kann. Mehr dazu erfährt man bei Interesse
an EMG-Messgeräte hier
([HTM1]).
Mit dem Potmeter P2 wird die Zeitkonstante eingestellt. Hat die
Zeitkonstante, gegeben durch R22, P2 und C7, einen hohen Wert, max. 1
sec., folgt am Ausgang von IC:D Pin 6 die Spannung nur langsam der
Änderung der EMG-Spannung. Diese Spannung steuert den VCO der
integrierten PLL-Schaltung CD4046 IC:E (Pin 9). Die höchste
Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich bei der minimalen Zeitkonstante von
50 ms. Dazu muss P2 auf 0 Ohm eingestellt sein.
Falls es das Problem gibt, dass man für P2 keines mit 1 M-Ohm erhält,
geht es auch mit 100 k-Ohm. R22 muss man auf 4.7 k-Ohm reduzieren und C7
auf 10 µF erhöhen. Wenn P2 = 0 Ohm, liegt 4.7 k-Ohm
direkt zwischen Pin 7 von IC:C2 und C7. Das geht gerade noch. Wesentlich
niedriger als etwa 5 k-Ohm stört es wegen Überlastung die Funktion des
Synchron-Gleichrichter. Für C7 empfiehlt sich ein Tantal-Elko.
Deshalb steht bei C7 (T).
Die VCO-Steuerung funktioniert nur dann korrekt, wenn die Ux-Spannung
mit dem Opamp IC:D auf den GND-Pegel subtrahiert wird und so dieser
GND-Pegel an Pin 6 am VCO-Eingang Pin 9 anliegt. So liegt die Frequenz
am Ausgang des VCO bei nahe 0 Hz. Die Einstellung dazu erfolgt mit dem
Trimmpoti TP2. Dieser Abgleich muss man durchführen wenn -INP, +INP und
Ux kurzgeschlossen sind. Nur so hat man die Gewissheit, dass für diesen
Abgleich keine Eingangsspannung stören kann.
Mehr zum Thema Ux-Komensation und VCO liest im Elektronik-Minikurs
[HTM4].
Die Hauptsache liest man dazu im Kapitel
"Komfortable VCO-Schaltung mit Wechselspannungseingang". Obwohl
die Schaltungen die selben sind, wie hier in diesem Elektronik-Minikurs,
ist die Bauteilnummerierung nicht identisch. Ein Beispiel: Die Diode D5
hier ist dort mit D1 bezeichnet. Diode D1 (D5) braucht es eigentlich
nicht. Man kann sie tatsächlich weglassen. Warum sie trotzdem drin ist,
hat etwas mit dem damaligen Praktikum zu tun. Man liest es ebenso im
[HTM4].
Der Abschnitt beginnt mit "Es stellt sich jetzt noch die Frage
wozu die Diode D1...".
Wenn der CD4046 IC:E noch völlig unbekannt ist, empfiehlt es sich
gelegentlich den ganzen Inhalt von [HTM4] zu lesen und das
CD4046-Datenblatt konsultieren.
Audio: Poti P3 dient der einestellbaren VCO-Ausgangsspannung (Pin
4) mit einem maximalen Pegel von 6 V. Damit wird die Lautstärke des
Lautsprechers LS eingestellt. R27 (27 k-Ohm) und P3 (100 k-Ohm) bilden
einen Spannungsteiler. Damit erzeugt R27 eine konstante Minimalspannung
(HIGH-Pegel der Recheckspannung). Der Schleifer von P3 kann diese
Minimalspannung nicht unterschreiten. Dies hat den Vorteil, dass man
nicht erst P3 hochfahren muss um einen leisen Ton zu hören. Man hat
einen vernünftigen Einstellbereich für die Lautstärke. Warum dies
notwendig ist, erkennt man am folgenden Diagramm
Transfer-Charakteristik
aus dem Elektronik-Minikurs
[HTM5].
Die Rechteckspannung am VCO-Ausgang hat einen HIGH-Pegel von 6 V und
einen LOW-Pegel entsprechend GND. Am Schleifer des Poti P3 beträgt der
HIGH-Pegel ebenfalls 6 V, der LOW-Pegel jedoch 1.7 V. Damit ist der
Drehwinkel klein genug vom tonfreien Zustand bis zum Einsatz eines
leisen Tones, der bei etwa 2.5 V bis 3 V beginnt. Man kann natürlich
R27 nach eigenem Bedarf entsprechend ändern.
An dieser Stelle sei noch erwähnt, die Spannung zwischen Gate und GND
ist im aktiven Zustand des Lautsprechers etwas höher als die
Gate-Source-Spannung, weil ein gewisser Strom durch R30 und Lautsprecher
LS fliesst. Bei der vollen (unerträglichen) Lautstärke beträgt der
Batteriestrom etwa 40 bis 50 mA. Bei Zimmerlautstärke sind es etwa 10
bis 15mA. Die Rippelspannung an der Batterie beträgt bei voller
Lautstärke etwa 0.1 Vpp, je nach VCO-Frequenz. Je höher diese ist um so
kleiner ist die Rippelspannung. Verantwortlich dafür ist der Ladeelko
C12 mit 470 µF.
Warum C9 und R28? Eigentlich könnte man vom Schleifer des Poti P3, ohne
C9 in Serie, direkt das Gate des MOSFET T2 (BS170) steuern. Dies hätte
jedoch einen lästigen Nachteil zu Folge. Wenn keine EMG-Spannung
anliegt, oder die Eingänge -INP, +INP sind mit Ux kurzgeschlossen,
erzeugt der VCO keine oder fast keine Frequenz. Das ist bedingt durch
die Kalibrierung mit TP2. Sind es 0 Hz kann der VCO-Ausgang zufällig auf
HIGH (6V) oder LOW (GND) liegen. Liegt er auf HIGH, hat es, je nach
Einstellung des Poti P3, eine recht hohe dauerhafte Gate-Spannung an T2.
Dies hätte zur Folge, dass die Batterie ständig mit Strom belastet ist.
Strom durch T2 (Drain/Source), R30 und Lautsprecher LS. Dies überlebt die
Batterie nicht all zu lange, wenn das Gerät eingeschaltet liegen bleibt
und man hat es vergessen auszuschalten.
Dieses Problem vermeidet das dem T2-Gate vorgeschaltete
C9*R28-Hochpassfilter. Im VCO-Ruhezustand liegt das T2-Gate auf GND,
unabhängig davon ob der Ausgang des VCO auf HIGH (6 V) oder auf LOW
(GND) liegt. Es fliesst also kein Strom durch LS. Damit haben wir jedoch
einen Nachteil, den es zu beseitigen gilt. Bei aktivem VCO liegt die
HIGH-Spannung am Knotenpunkt zwischen C9 und R28 auf +Ub/2 von maximal
+3 V und die LOW-Pegelspannung nicht auf GND, sondern auf maximal -3 V.
P3 auf maximale Spannung eibgestellt, vorausgesetzt.
Diese +3 V am T2-Gate sind für den Maximalwert des Drainstromes viel
zuwenig. Man werfe nochmals einen Blick auf das
Diagramm.
Daraus resultiert eine viel zu geringe maximale Lautstärke. Dieses
Problem löst Diode D6. Man lese dazu das Kapitel "Der
RCD-Differenzierer und seine Wirkung" im Elektronik-Minikurs
[HTM5].
Dort erkennt man zusätzlich in Bild 6, warum es ein Vorteil hat, wenn
man für D6 eine Schottky-Diode anstelle einer Silizium-Diode verwendet.
Zwingend nötig ist das hier allerdings nicht.
Audio-Endstufe: Eine Alkali-Mangan-9-Volt-Blockbatterie hat eine
Kapazität von etwa 500 mAh. Diese eignet sich direkt für den Betrieb der
Audio-Endstufe. Die Steuerung mittels MOSFET T2 ist bereits erklärt.
Ergänzend, R30 und D7 dämpfen die Neigung zur Oszillation durch die
Lautsprecher-Spuleninduktivität, angeregt durch die steilen
Schaltflanken des VCO-Signals. R29 trägt ebenfalls dazu bei, dass die
MOSFET-Schaltung, auch unabhängig von R30 und LS, nicht zum Oszillieren
neigt während den Schaltflanken.
Betreffs R29 spielt die Gate-Source-Kapazität eine gewisse Rolle. Diese
beträgt beim BS170 maximal 40 pF. Wenn R29 fehlt und Poti P3 ist so am
Anschlag, dass der Schleifer quasi direkten Kontakt hat zum VCO-Ausgang,
neigt der BS170 zum Oszillieren während den Schaltflanken. R29 verhindert
dies in Funktion einer Dämpfung. Die Grösse von R29 ist eine empirische
Angelegenheit. Man muss es ausprobieren. Ist R29 zu gross, reduziert
dies die Flankensteilheit der Rechteckspannung am Gate und das selbe
geschieht mit der Drain-, bz. Source-Stromflanke von T2. R29 mit 1 k-Ohm
hat sich hier bewährt.
Hochleistungs-MOSFETs haben eine deutlich höhere Gate-Source-Kapazität.
Da muss man auch einen deutlich kleineren Widerstand (R29) wählen.
Manchmal setzt man anstelle davon eine winzig kleine Ringkernrossel ein.
Dies nur nebenbei erwähnt.
Netzteil: Die 9V-Blockbatterie (Typ: Alkali-Mangan) speist den
Lautsprecher mit dem MOSFET-Schaltkreis (T2: BS170) direkt. Der
Ladeelkolko C12 hält durch seine Glättungsfunktion die mittelfrequente
Impedanz niedrig. Dies ist notwendig für den problemlosen stabilen
Betrieb des Spannungsregler IC:F (TL750L5) und der gesamten Schaltung.
Für die höherfrequente Stabilität sorgen die Kerko Ck mit einer
Kapazität von 100 nF in der Nähe der Betriebsspannung bei den ICs, wie
es so üblich ist.
Dieser Lowdropout-Spannungsregler IC:F erzeugt eine konstante geregelte
Spannung von 5 VDC. Diese Spannung wird mit den beiden Dioden 1N4148
oder 1N914, D8 und D9, im Biaspfad auf etwa 6.2 VDC erhöht. Der
Biasstrom des TL750L5, der durch diese beiden Dioden nach GND fliesst,
beträgt typisch 1 mA, gemäss Datenblatt. Dieser Strom erzeugt in D8 und
D9 je eine Flussspannung von etwa 0.6 VDC. Total also 1.2 VDC. Deshalb
6.2 VDC am Ausgang für +Ub. Einfachheitshalber liest man in der gesamten
Beschreibung und in Bild 2 jeweils 6V oder 6 VDC. Mit diesem
"Diodentrick" wird die temperaturbedingte hohe Stabilität der
Ausgangsspannung des TL750L5 reduziert. Silizium-Dioden haben eine
Temperaturdrifft von etwa -2 mV/K. Bei zwei Dioden in Serie sind es -4
mV/K. Das ist für die vorliegende Anwendung unproblematisch, weil die
grundlegende Spannungs-Toleranz des TL750L5 am Ausgang ±4 % (4.8V bis
5.2V) beträgt. Siehe dazu die passende
Tabelle
aus dem TL750L5-Datenblatt.
Die Entladeschlussspannung einer Alkali-Mangan-Batterie liegt bei knapp
70 bis 75 Prozent der Nennspannung. Also etwa 6.7 VDC bei einer
9-Volt-Blockbatterie. Dies bedeutet, dass die Spannungsregelung gerade
noch knapp richtig arbeitet. Dann allerdings nur noch für kurze Zeit.
Wie bereits weiter oben in "Audio-Endstufe" erklärt, hat diese
Batterie eine Kapazität von 500 mAh. Dies bedeutet, dass die
Entladeschlussspannung bei einem Strom von 50 mA gilt, also genau
genommen 6.7 VDC bei 50 mA. Es gilt die Regel: Test-Entladestrom etwa 10
% von der Batterie-Kapazität. Hier also 50 mA aus 500 mAh.
Ohne diese TL750L5-Spannungsregelung, mit den beiden Elkos C10 und C11
und nur mit C12 im Einsatz, arbeitet die Schaltung bei einer mittleren
bis hoch eingestellten Verstärkung (Poti P1) nicht stabil. Sie
oszilliert. Die gesamte Schaltung wäre ein einziger Oszillator, weil
auch die sehr kleine Rippelspannung am Ladeelko C12, erzeugt durch die
Tonfrequenz am niederohmigen Lautsprecherkreis, würde auf den
hochempfindlichen EMG-Eingang rückkoppeln.
Die Printplatte
Anstelle der beiden Begriffe Leiterplatte oder Platine, kommt der
Begriff Print oder Printplatte, wie in meinen
Elektronik-Minikursen üblich, zum Einsatz. Die Aufnahmen aller Fotos
hier erfolgte im April 2001 mit einer Digital-Kamera, die noch nicht so
scharfe Bilder erzeugte, wie es heute üblich ist. Da der Print in einem
betriebseigenen Labor hergestellt wurde, gibt es keine
Bauteilbeschriftung, wie dies z.B. in professionellen Bausätzen üblich
ist.
Es gilt deshalb dasselbe, wie damals im Praktikum. Es gibt für den Print
eine
Bauteilskizze
mit deren Hilfe man die Bauteile im Print einsetzt und verlötet. Es gibt
nur eine Leiterbahnebene auf der Print-Unterseite und man benötigt nur
eine einzige Drahtbrücke, gut sichtbar auf dem Foto, rechts neben den
beiden Widerständen R18 und R20. Die Bezeichnung R18 und R20 sieht man
in der Bauteilskizze. Dies nur grad ein Beispiel, das zeigen soll, mit
dem Blick auf die Bauteilskizze ist es leicht den Print zu bestücken.
Ein paar Hinweise zur Bauteilskizze. Es gibt drei Poti, P1 (GAIN), P2
(TIME-CONST) und P3 (VOLUME). Man erkennt, dass diese Poti-Typen, gemäss
Materialliste, Lötpins
haben zum direkten Einstecken und verlöten in den Print. Dies hat einen
wichtigen Vorteil. Es liegen keine Verbindungslitzen unkontrolliert
herum, die allfällig Rückkopplungseffekte erzeugen können. Man kann dies
zwar weitgehend mit abgeschirmten dünnen und flexiblen Kabeln vermeiden.
Dies empfiehlt sich dann, wenn man diese originalen Potis nicht mehr
bekommt und man auf andere Produkte ausweichen muss. Hier noch eine
mechanische
Skizze
der originalen Poti von Distrelec.
In der nächsten Skizze hat es drei
Info-Kästchen:
Info-Kästchen A: Wenn das IC links eine Kerbe (halbrund und nicht eckig)
hat, dann gilt der Pin gleich unterhalb davon als Nummer 1. Dies
unabhängig davon, ob es rechts einen Punkt hat oder nicht. Wenn das IC
links beim unteren Pin, anstelle einer Kerbe, einen Punkt hat, dann ist
dieser Pin Nummer 1.
IC-Sockel: Es empfiehlt sich unbedingt für die Dual-In-Line ICs passende
Sockel zu verwenden. Dies macht einen evtl. notwendigen IC-Wechsel
einfacher. Siehe in der Materialliste unter "Diverses" und "IC-Sockel".
Info-Kästchen B: Das Symbol ein Punkt mit Ring zeigt einen stehend
verlöteten Widerstand. R15, in der Bauteilskizze, ist ein solches
Beispiel.
Info-Kästchen C: Das typische Dioden-Symbol sieht man in der
Bauteilskizze und hier. Der Ring beim Bauteil ist die Kathode.
Printlayout
Dieser Printlayout
(<---hier zum Drucken!)
zeigt die Komponenten-Seite. Die Leiterbahnen und die Lötaugen, quasi im
Durchblick durch den Print, sind auf der hinteren Seite. Man
erkennt es am Spiegelbild des Textes "EMG-BIOFEEDBACK-DEVICE". Man sieht
diesen Text korrekt, wenn man die ausgedruckte Klarsichtfolie umdreht.
Die Seite mit den Leiterbahnen und den Lötaugen muss auf die mit
Fotolack beschichtete Seite des Printes gelegt, fixiert und belichtet
werden. Man nennt dies Schicht-zu-Schicht-Kontakt. Diese Methode ergibt
die schärfste Bildwiedergabe auf dem Print.
Wenn man selbst kein UV-Belichtungsgerät, keine Entwicklung- und keine
Ätzanlage besitzt und man hat auch keinen Zugriff wo es solche Geräte
gibt, bleibt nur noch die Wahl, das pdf-File an eine Elektronik-Firma zu
senden, die einen solchen Dienst anbietet. Als ich damals vor
Jahrzehnten eine Printserie für ein anderes Projekt auswärts herstellen
liess, gab es dies bei der Elektronik-Firma CONRAD. Es sieht danach aus,
dass es bei CONRAD dieses Angebot heute noch gibt. Ein erster Hinweis
zeigt dieser
Link (August-2020).
Nicht vergessen zu prüfen ob die Masse auf dem Ausdruck mit der
Klarsichtfolie auch stimmen. Wenn nicht, beim Druckertool entsprechend
justieren und den Ausdruck wiederholen. Nur so ist man sicher, dass
die Lochabstände zwischen den IC-Pins auch stimmen. Die Breite des
Printes beträgt 91 mm und die Länge 82 mm. Man kann ja zuerst auf Papier
ausdrucken, um die Masse zu prüfen und erst danach auf Klarsichtfolie
ausdrucken.
Das Gehäuse-Problem
Für den Einbau des fertig bestückten, verlöteten und elektronisch
geprüften Print, gibt es das spezielle Gehäuse HP-9VB mit
9V-Batteriefach von PACTEC (USA). Die Produktion wurde leider vor vielen
Jahren eingestellt. Ich hatte damals zur Zeit meines Praktikums, bis
Ende Herbst 2016, gerade noch genug von diesen Gehäusen. Weitere Infos,
wo es noch Lager gibt, liest man in der
Materialliste
unter "Diverses".
Leider fehlen die Vorlagen für die Frontplatten. Das waren, genau so wie
beim Print, Postscript-Files. Die der Frontplatten habe ich leider nie
in PDF-Files konvertiert. Diese Postscript-Files gingen wahrscheinlich
verloren mit einer Aufräumaktion.
Gehäuse-Kauf gelingt:
Als erstes gleich einen Blick in die
Originalskizze
des Gehäuse HP-9VB von PACTEC. Falls man etwas mechanisches Geschick
besitzt, der Aufwand der mechanischen Arbeiten ist nicht gross und auch
nicht sehr schwierig. Eine Bohrmaschine sollte man haben oder ausleihen
für das Bohren der Löcher für die Achsen der drei Poti P1, P2 und P3,
für den Kippschalter und für die Löcher für den Schallaustritt des
Lautsprecher. Dieses
Foto
zeigt ein Bild des Gehäusedeckel mit den drei Poti und Kippschalter
und dieses
Foto
das Bild von einem Poti (Distrelec: 164-35-338) mit den Stiften zum
direkten Einlöten in den Print.
Wenn das Unterteil des Gehäuses offen da liegt, sieht man drei
Befestigungsbolzen, integriert im Kunstsoff des Gehäusebodens. Die
Schrauben liegen mit dabei in einem Plastiksäckchen. Man montiert
zunächst erst mal den bestückten Print. Man misst die Positionen für die
drei Löcher zu den Poti-Achsen von den Kanten des Gehäuse so genau wie
möglich. Die Positionierung des Kippschalters ist etwas schwieriger. Man
muss von der Innenseite des Deckels die Situation genau betrachten. Es
ist etwas schwierig dies mit Worten zu erklären.
Man versteht es, wenn man den Print mit den drei Potis die Achsen durch
die drei Poti-Löcher im Deckel schiebt. Dann erkennt man die
Platzsituation für den Kippschalter zum Print und Gehäuse. Ich hoffe mit
dieser Einführung kommt man weiter....
Man kann Frontplatten auf Alu anfertigen (lassen), im Stil wie
es das Foto zeigt. Ich benutzte damals Produkte von 3M-SCOTCHCAL. Diese
Firma gibt es noch. Einfach "scotchcal" in Google eingeben und man hat
schon mal einen ersten Eindruck.
Gehäuse-Kauf gelingt nicht: Man kann den fertig bestückten Print
auch ohne Gehäuse einsetzen oder man kauft sich ein grösseres Gehäuse
und baut den bestückten Print ein. Es kann dabei von Vorteil sein, wenn
das Gehäuse gross genug ist, um später eine weitere Schaltung
einzubauen. Dies kann z.B. einen LED-Balken mit etwas Elektronik sein
für zusätzlich ein optisches EMG-Biofeedback. Eine einfachere optische
Möglichkeit gäbe es mit der Helligkeitssteuerung einer
Niederspannungs-Glühbirne. Mit solchen Erweiterungen empfiehlt sich an
Stelle einer kleinen 9V-Blockbatterie ein externes Netzteil mit genügend
Power einzusetzen. Es empfiehlt sich unbedingt kein
Schaltnetzteil einzusetzen, wegen dem störenden Einfluss steiler
Schaltflanken! Eine Entstördrossel im Niederspannungskabel hat
nur eine bescheidene Entstörwikung.
Die "böse" Ständerlampe:
Es gilt generell, dass man mit EMG-Biofeedback- oder EMG-Messgeräten in
möglichst AC-feldarmer Umgebung arbeitet, wegen der hohen Quellimpdanz
und der sehr niedrigen EMG-Spannung. Eine Metall-Ständerlampe in der Nähe,
wenn das Metallrohr nicht geerdet ist, stört massiv solche Messungen.
Ein solches Problem entdeckte ich mal in einer Arztpraxis wo es mit
den EKG-Messungen nicht funktionierte.
Das Lautsprecher-Problem
Es ist gar nicht so leicht den passenden Mini-Lautsprecher zu finden,
wie es noch vor ein bis zwei Jahrzehnten selbstverständlich war. Dazu
hier nochmals das
Titelbild
zum Kapitel "Die Printplatte" mit dem Mini-Lautsprecher.
In der Schweiz gibt es einen kleinen Elektronik-Distributor der
einiges auf Lager hat. Es ist die Firma
GRIEDER-BAUTEILE,
mit dieser
Auswahl von Miniatur-Lautsprechern.
Den benötigten Lautsprechertyp, vor allem wegen den mechanischen Massen,
ist leider nicht mit dabei.
Wenn die mechanischen Masse irrelevant sind und man dafür ein anderes
Gehäuse kauft, hat GRIEDER einen interessant Typ. Es ist der
Ratho-BL50.
An Stelle von üblich 8 Ohm hat er eine Impedanz 45 Ohm. Dies bedeutet
ein deutlich niedriger Energieverbrauch. Wahrscheinlich muss man an der
originalen Schaltung AUDIO in Bild 2 nichts ändern. Es gibt allerdings
ein Wermutstropfen. Man liest auf der Webseite
"Nur solange Vorrat".
Falls nicht mehr erhältlich, muss man halt nach anderen Quellen suchen.
Bleiben wir beim 8-Ohm-Lautsprecher und dem Gehäuse HP-9VB von PACTEC.
Ein wichtiges Kriterium beim Lautsprecher ist sein Durchmesser, der
nicht grösser als 40 mm sein darf. Die Dicke ist auch begrenzt, so dass
man einen selbstgefertigten Alubolzen einsetzen kann mit einem
Gewindeloch M3 zur Befestigung auf dem Print. Die folgende mechanische
Skizze in Bild 2.5 zeigt, wie es gemeint ist. Diese Masse gelten, falls
der bestückte Print im originalen Gehäuse HP-9VB von PACTEC eingebaut
wird, falls man dieses hoffentlich noch kaufen kann, wie im Kapitel
"Das Gehäuse-Problem" näher beschrieben.
Diese Skizze zeigt die Masse des damals verwendeten Mini-Lautsprechers
Typ Nr.3312 von
PUSTERLA.
Skizze und Text sind selbsterklärend. Mit "Innnenseite des Deckels"
betrifft es den Einsatz des Gehäuse HP-9VB von PACTEC.
Nach erneuter Suche wurde ich fündig bei RS-ONLINE mit exakt den
geeigneten elektrischen und mechanischen Daten:
* RS PRO Kleinlautsprecher 8 Ohm / 1 Watt,
104dB, 36(Dia.) x 4.8mm *
Es gibt auch Mini-Lautsprecher einer ganz andern Art, entdeckt beim
Distributor DISTRELEC. Auch dieser würde sich eignen, mit einer ganz
andern Befestigungsmethode, wobei es keine mechanische Arbeit bedingt
und die Masse passen. Mehr dazu hier:
* Miniatur-Lautsprecher KSSG-3108
von KINGSTATE*
Alternativ gibt es den KSSG-3108 auch bei
GM-Electronic.
Es gibt von KINGSTATE zum KSSG-3108 eine Skizze mit den mechanischen
Daten, die ich für die vorliegende Anwendung etwas ergänzt habe mit
rotem Text:
AR ist die Abkürzung für Araldit und es
sind kleine Klebepunkte. Es kann aber auch einen andern
Zweikomponenten-Kleber sein. Die Seite mit dem Ton-Ausgang verklebt man
mit der Innenseite des Gehäuses im Deckel, wo ebenfalls die Löcher sein
müssen für den Ton-Ausgang (siehe Foto des
Gehäusedeckel von
aussen), an ein paar Stellen, z.B. dort wo AR hinweist. Es sind die im Kreis angeordneten
acht Löcher und ein Loch in der Mitte.
Der Durchmesser von 31.8 mm ist okay. Das Maximum liegt bei 40 mm,
begrenzt durch die Kanten des Printes. Die Höhe von 15 mm passt auch.
Die Distanz zwischen der Innenseite des Deckels und des Printes beträgt
19 mm. Die 5.5 mm langen Anschlussstifte des Lautsprechers muss man auf
etwa 3 mm kürzen, dann passt es prima.
Die elektrischen Anschlüsse verbindet man mit zwei isolierten Kabellitzen
mit den beiden Lötpins (GND/Lautsprecher) auf dem
Print.
Es empfiehlt sich dabei, die beiden Kabel vor dem verlöten zu
verdrillen. Auf diese Weise vermeidet man magnetische Streufelder, die
sich evtl. in die Leiterbahnen im sensiblen Teil der Schaltung induktiv
einkoppeln. Die Frequenzen sind zwar sehr niedrig, aber die
Flankensteilheit des Rechteckstroms ist relativ hoch.
Links
Es folgen die Links, welche in Beziehung zu diesem Bastelprojekt
stehen:
-
Operationsverstärker I
[HTM1]
Thematisch sehr umfassend: Geeignet für den Einstieg mit bereits erworbenem einfachem Grundlagenwissen.
-
Operationsverstärker III
[HTM1]
Vertiefung des Thema virtuelle Spannung bzw. virtueller GND.
-
Echter Differenzverstärker I
[HTM1]
Der echte Differenzverstärker (Instrumentationsverstärker) hat gegenüber dem einfachen Differenzverstärker den Vorteil des sehr hohen Eingangswiderstandes. Eine wichtige Voraussetzung für u.a. EMG-Messungen.
-
Echter Differenzverstärker II
[HTM1]
Das Hauptthema ist hier das Bezugspotenzial, auch als Referenz- und Arbeitspunktspannung bezeichnet. Damit stehen auch die DC-Offsetspannung und dessen Einstellmethoden im Fokus.
-
Echter Differenzverstärker III
[HTM1]
Hier wird der Instrumentationsverstärker in seine Opamp-Teile zerlegt, um die einzelnen Vorgänge anschaulich zu verstehen. Interessant, wie bei der Gleichtaktverstärkung die Eingangsstufe ihren verstärkenden Einfluss verliert und sich zu zwei einzelne Impedanzwandler reduziert. Man muss dabei in den voran gehenden Minikursen die virtuelle Spannung (virtueller GND) verstanden haben.
-
Echter Differenzverstärker IV
[HTM1]
Thematisiert wird hier die professionelle EMG-Verstärkertechnik für die invasive intramuskuläre Messung. Für den interessierten Leser empfiehlt es sich hier reinzugucken. Es enthält auch ein Grundsatzthema zur Arbeitsweise des Instrumentationsverstärkers betreffs Unterdrückung von Gleichtaktsignalen.
-
Polarisierter Elektrolytkondensator für Wechselspannung
und inverse Gleichspannung
[HTM1a]
Es betrifft den den speziellen Elko (C1), der mit maximal 30 % der Nennspannung verkehrt gepolt benutzt werden darf. Wählt man einen Elko mit genügend hoher Nennspannung, kann man ihn an eine AC-Spannung betreiben. Leider gibt es diese Elko-Serie nicht mehr. Man könnte alternativ einen nichtpolarisierten Elko einsetzen. Diese sind leider zu gross, wenn man das angeboteten Printlayout verwenden will. In der Zwischenzeit gibt es kleine Multilayer-Keramikkondensatoren mit selben Kapazität von 10 µF. Einen solchen kann man einsetzen. Ein solcher Kerko habe ich betreffs geringem Piezzo-Effekt geprüft. Mehr dazu in der Materialliste unter "Keramik-Kondensator statt Spezial-Trocken-Elko".
-
Überspannungsschutz von empfindlichen
Verstärkereingängen
[HTM2]
Wichtig ist das Kapitel "ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ MIT DIODEN"
-
Der Synchron-Gleichrichter
[HTM3]
Normalerweise werden Präzisionsgleichrichter für niedrige Ströme im Bereich der analogen Signalverarbeitung mit Opamps und Dioden realisiert. Es geht aber auch ohne Dioden mit Hilfe eines elektronischen Umschaltvorganges im Augenblick des Spannungs-Nulldurchganges.
-
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)...
[HTM4]
Man lernt wie ein einfacher Oszillator mit einem Schmitt-Trigger-NAND-Gatter (CD4093) arbeitet und wie man diesen zu einem VCO erweitert. Dies dient dem Einstieg. Das Ziel ist zu verstehen wie der VCO in der integrierten PLL-Schaltung CD4046 (MC14046) arbeitet, der im EMG-Biofeedback-Gerät zum Einsatz kommt. Thematisiert wird hier auch die Referenzspannungsquelle (Bild 5) zur Erzeugung von Ux.
-
Lowpower-MOSFET-Minikurs und eine praktische Anwendung
als Batterie-Betriebsspannung-Ausschaltverzögerung
[HTM5]
Wichtig sind die Grundlagen zum Power-MOSFET BS170. Dazu dienen praktische kleine Übungsschaltungen, wie der Entladevorgang eines Kondensators zwischen Gate und Source eines MOSFET. Dazu gehört das Verstehen der Transfer-Charakteristik.
-
Vom passiven RC- zum passiven
RCD-Hochpassfilter/Differenzierer
[HTM5]
Dieser Differenzierer aus Widerstand, Kondensator und Diode befindet sich zwischen VCO und Lautsprecherendstufe. Er vermeidet unnötig hohen Batterieverbrauch, wenn der VCO ohne Ausgangsfrequenz im Zustand des logischen HIGH-Pegel stehen bleibt. Die Diode sorgt dafür, dass das Gate des MOSFET genug Spannung erhält.
-
Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter
[HTM6]
Das Thema ist die Reduktion der Rauschspannung durch Reduzierung der Frequenzbandbreite. Dies macht dann Sinn, wenn zur Anwendung nur ein Teil der Bandbreite benötigt wird.
Es folgen Links zu Testschaltungen:
-
EMG-Testgenerator
Dieser EMG-Testgenerator ist eine kleine Schaltung, die eine Dreieckspannung erzeugt, um zu testen ob eine EMG-Messanlage funktioniert oder nicht. Das ist vor allem dann sinnvoll und im Einsatz effizient, wenn in ein Patient mit Elektroden an eine EMG-Messanlage angeschlossen ist und die Qualität der Wiedergabe des Signales zu wünschen übrig lässt.
-
Amplifier-Attenuator mit symmetrischem Ausgang
Diese Schaltung ist ein wichtiges Werkzeug, wenn es darum geht, ein asymmetrisches analoges Signal in ein symmetrisches zu konvertieren, wie z.B. zum Testen eines empfindlichen EMG-Vorverstärkers. Die Schaltung ist realisiert mit hochwertigen Opamps von Linear-Technology, bzw. Analog-Devices.
-
EMG-Elektroden-Impedanztester
Thematisch hier zu umfassend. Siehe Einleitung.
Thomas Schaerer, 25.08.2020