EMG-Testgenerator
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- Die Philosophie meiner
Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!) - Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Buch 1 Buch 2
Einleitung
EMG kann vermutlich vieles bedeuten. EMG steht in der Schweiz z.B. als
Abkürzung für Elektrizitäts-Markt-Gesetz, womit die freie
Marktwirtschaft für die Erzeugung und Verteilung der elektrischen Energie
verstanden wird. Es dürfte dem ELKO-Leser bestimmt schon jetzt klar sein,
dass der EMG-Testgenerator nicht dazu dient dieses Gesetz zu testen. Eine
elektronische Schaltung um ein Gesetz oder nur schon eine juristische
Formulierung zu testen, wäre natürlich mal etwas Neues. Leider
werde ich dabei von meiner Fantasie im Stich gelassen, aber wer weiss,
vielleicht findet sich gelegentlich ein Leser oder eine Leserin mit
einem besonders geistreichen Einfall. Man tue sich keinen Zwang an,
einfach melden und ich sehe mir die Beschreibung und das Schaltschema
gerne an. :-)))
Falls sich Juristen in diesen Elektronik-Minikurs verirren, möchte ich
mich schon jetzt ganz höflich entschuldigen, dass EMG hier die Abkürzung
von Elektro-Myographie ist. Damit ist eine andere Disziplin, nämlich die
Biologie bzw. die Neurophysiologie angesprochen und ganz im Gegensatz zu
obengenanntem Gesetz gibt es hier zur Elektronik einen wichtigen
Zusammenhang. Mehr dazu erfährt man im Elektronik-Minikurs
(1).
Da wird in groben Zügen erklärt was die Elektro-Myographie ist, was
motorische Einheiten und Nervensignale sind und wie man die elektrischen
Aktionspotenziale misst. Weitere Themen sind Oberflächenelektroden zur
Messung an der Hautoberfläche und Nadel- und feine Drähtchenelektroden
für intramuskuläre Messungen. Abgerundet wird der Inhalt mit einer ganz
kleinen Einführung mit Blockschemata wie ein EMG-Biofeedbackgerät
arbeitet und wie ein EMG-Messgerät für wissenschaftliche Aufgaben
realisiert werden kann.
Dieser EMG-Testgenerator ist eine kleine Schaltung, die ein Signal
erzeugt um zu testen ob eine EMG-Messanlage funktioniert oder nicht. Das
ist vor allem dann sinnvoll und im Einsatz effizient, wenn in einer
Klinik ein Patient mit Elektroden an eine EMG-Messanlage angeschlossen
ist und die Qualität der Wiedergabe des Signales zu wünschen übrig
lässt. Da gibt es zunächst zwei unterschiedliche Ursachen: Entweder
stimmt mit der Elektrodenkontaktierung an der Haut oder im Muskelgewebe
und/oder mit der Massenelektrode etwas nicht oder die Elektronik der
EMG-Messanlage hat "ihre schlechten Tage". Für diese Fälle eignet sich
die hier vorgeschlagene Schaltung hervorragend. Sie zeigt schnell, ob
die EMG-Messanlage in die Reparatur gehen muss oder nicht. Bei meinen
Mitwirkungen bei EMG-Messungen hat diese batteriebetriebene Schaltung,
verpackt in einem kleinen Gerätchen, oft hervorragende Dienste
geleistet.
Bevor wir zum eigentlichen Thema übergehen, soll kurz erklärt werden mit
welchen andern Elektronik-Minikursen dieser hier etwas zu tun hat. Ganz
nebensächlich, aber trotzdem sehr nützlich, enthält die Schaltung eine
spezielle Batteriezustandssanzeige,
die sehr sparsam ist und doch sehr gut auffällt, wenn die Schaltung noch
in Betrieb ist und so nicht vergessen wird bei Nichtmehrgebrauch
auszuschalten. Eine LED blinkt mit einer Frequenz von etwa 1 Hz. Dabei
wird ein Elko langsam geladen und, auf eine bestimmte Spannung
aufgeladen entladet dieser sich sehr schnell über die LED, die kurz und
hell aufblitzt. Diese Methode hat den grossen Vorteil, dass die
Batteriespannung nicht durch hohe Stromimpulse belastet wird. Nimmt die
Batteriespannung ab, reduziert sich die Blinkfrequenz bis die definierte
Batterie-Entladespannung erreicht ist. Unterhalb dieser Batteriespannung
"glimmt" die LED nur noch schwach vor sich hin, wobei die
Generatorschaltung dann noch immer ihren Dienst nicht gleich aufgibt.
Als Opamp kommt ein Mitglied der Linear-CMOS-Familie von
Texas Instruments
zum Einsatz. Es ist der TLC27M4. M steht Medium-Power. Will man mehr
dazu erfahren, konsultiere man das Datenblatt, allerdings findet man
diese Opamp-Familie auch in meinen beiden Elektronik-Minikursen
(3) und
(4)
im praktischen Einsatz.
Der grosse Bruder zu diesem EMG-Testgenerator, der auch für anderes
eingesetzt werden kann, aber nach dem selben Prinzip arbeitet, findet
man im Elektronik-Minikurs (5).
Dieses Gerät mit asymmetrischem Ein- und symmetrischem Ausgang verstärkt
eine asymmetrisch niederfrequente AC-Spannung von einem externen Sinus-
oder Funktionsgenerator und wandelt sie mit wählbarer Spannungsteilung
in eine rauscharme symmetrische AC-Spannung zum Testen von symmetrischen
Verstärkerschaltungen (EMG, EKG, spezielle Audioschaltungen, etc.).
Anforderungen an ein Testsignal
Es stellt sich die Frage welcher Signaltyp sich für den vorliegenden
Testzweck, wie bereits beschrieben, eignet und natürlich wie einfach
dieses Signal zu erzeugen ist. Ein sehr einfach erzeugtes Rechtecksignal
würde optisch am Oszilloskopen kaum erkennen lassen, wenn die Amplitude
bei zu niedrigem Pegel symmetrisch oder asymmetrisch begrenzt (geklippt)
wird. Eine Sinusspannung ermöglicht dies, dafür lässt eine solche
Spannung nur schwerlich erkennen, ob die Übertragungseinheit die
Linearität beeinträchtigt. Die Verzerrung eines Sinussignales lässt sich
optisch erst ab einem Klirrfaktor von etwa 3 Prozent erkennen, ausser
man misst den Klirrfaktor elektronisch. Die gerade Linie eines
Dreieckssignales lässt bei guter Beobachtung bereits eine sehr geringe
Nichtlinearität erkennen. Es liegt also auf der Hand, sich für einen
Dreieck-Generator zu entscheiden, der auch viel einfacher zu realisieren
ist als ein Sinusgenerator.
Da es nur gerade darum geht zu Testen ob die Übertragungseinheit
funktioniert oder nicht, genügt in der Regel eine fix eingestellte
Frequenz. Diese muss eindeutig höher sein als die Grenzfrequenz eines
eingebauten Hochpassfilters, das man bei EMG-Messungen in
EMG-Messverstärkern dazu benötigt um quasistationäre Störsignale (man
nennt so etwas auch Artefakte) zu unterdrücken, welche durch chemische
Elementenspannungen beim Übergang zwischen Elektroden und biologischem
Gewebe entstehen. Die Frequenz des Dreieck-Testsignales sollte ebenso
niedriger sein, als die niedrigst wählbare Grenzfrequenz eines
Tiefpassfilters. Ein solches Filter benötigt man um Aliasefekte bei der
Digitalisierung zu vermeiden, falls das EMG-Ausgangssignal mittels
Computer weiterverarbeitet werden soll. Ich dimensionierte eine Frequenz
von 270 Hz, weil die niedrigste einstellbare Grenzfrequenz eines
steilflankigen SC-Tiefpassfilters
(6),
(7) und
(8)
in einem EMG-Messgerät gerade 300 Hz beträgt. Bei andern Werten kann der
Leser selbst die Dreieckfrequenz entsprechend anpassen, in dem man
proportional zum Frequenzverhältnis den frequenzbestimmenden Widerstand
und/oder Kondensator ändert.
Bild 1 teilt sich in die zwei Teilbilder 1.1 und 1.2 auf. Teilbild 1.1
zeigt den typischen symmetrischen Elektrodenanschluss mit einer
gemeinsamen Abschirmung. Diese Art der Abschirmung genügt, wenn
EMG-Messungen an der Hautoberfläche durchgeführt werden, weil die
Frequenzbandbreite dieses Signales bloss wenige 100 Hz beträgt und die
Elektroden/Gewebe-Quellimpedanz bei der relativ grossen Kontaktfläche im
k-Ohm- bis maximal 10-k-Ohm-Bereich in der Regel niederohmig ist. Die
Kapazität zwischen Schirm und Leiter dämpft das EMG-Signal nur
unbedeutend. Ganz anders bei intramuskulären Messungen mittels beinah
haarfeinen Drähtchenelelektroden, wo die Frequenzbandbreite leicht
einige kHz beträgt und die Elektroden/Gewebe-Quellimpedanz im
100-k-Ohm-Bereich doch wesentlich hochohmiger ist. Hier würde eine
Schirm/Kabel-Kapazität als unerwünschtes Tiefpassfilter enorm dämpfend
auf höhere Frequenzanteile wirken und das Aktionspotenzial, der ein
Impuls ist, würde verzerrt abgebildet. Dies lässt sich allerdings
vermeiden, wenn die Signalleitungen einzeln abgeschirmt und die
Abschirmungen durch gleich grosse Signale bei gleicher Phasenlage mit
niedrigem Quellwiderstand getrieben werden. Man nennt dies Guard-Drive
oder Shield-Drive. Die Wirkung der Schirm/Kabel-Kapazität neutralisiert
sich. Teilbild 1.2 deutet diese Methode an. Beide Teilbilder zeigen wie
der EMG-Testgenerator angeschlossen wird. REF bedeutet die
Referenzelektrode, also die Elektrode die z.B. mittels eines leitenden
Klettbandes an Arm oder Bein fixiert wird. INP sind die Anschlüsse für
die Signalelektroden.
Die Blockschaltung
Ein einfacher Dreieck-Generator liefert eine Spannung mit einer Dreieckspannung von 2 Vpp (Vpp = Volt peak-to-peak). Diese viel zu hohe Spannung muss in Stufen in den mV-Bereich geteilt werden. Dies geschieht mittels Drehschalter mit fünf Stufen. Eine sechste Stufe OFF schaltet das Gerät aus. Die Wahl fiel auf Spannungswerte zwischen 0.1 mVpp bis 10 mVpp in 5 Stufen mit äquiquotienten Abständen. Der Spannungsteiler teilt die Spannung auf Werte die 100 mal grösser sind als die eigentlichen Ausgangsspannungen. Der Impedanzwandler "+1" erzeugt die selben Spannungen bei niedriger Ausgangsimpedanz und "-1" invertiert die selbe Spannung auf eine ebenfalls niedrige Ausgangsimpedanz. Darauf folgt auf jeden Ausgang ein fixer Spannungsteiler der diese Ausgangsspannungen, aber auch die Rauschspannung der beiden aktiven Komponenten "+1" und "-1", durch 100 dividiert. Auf diese Weise erreicht man eine hohes Signal/Rausch-Verhältnis auch bei sehr niedrigen Spannungen. Zusätzlich unterstützen dies R18 und R19 mit niedrigen Ohmwerten. Jeder Ausgang OUT oder /OUT gegen GND hat einen asymmetrischen Spannungsbereich zwischen 0.1 mVpp und 10 mVpp. Die Abstufungswerte, siehe beim Drehschalter. Da die beiden Signale OUT und /OUT invertierend arbeiten, verdoppelt sich die symmetrische Spannung zwischen OUT und /OUT auf 0.2 mVpp bis 20 mVpp. Dass mit R21/R22 und R23/R24 (siehe auch Bild 3) trotzdem höhere Ausgangswiderstände geschaltet werden, hat damit zu tun, dass der Übergangswiderstand zwischen Elektrode und dem Elektrolyt des Haut- oder Muskelgewebes (intramuskuläre Messung) simuliert werden muss. Dieser Quellwiderstand bleibt konstant unabhängig von der Einstellung der Dreieckspanng durch den Schalter. Diese Widerstandssimulation macht es möglich Störungen aus der Messumgebung mit einzubeziehen.
Die Schaltung des EMG-Testgenerators
IC:C1 und IC:C2 arbeiten als Dreieck-Generator mit einer
Frequenz von etwa 270 Hz und einer Amplitude von 2 Vpp. Wie
Dreieck-Generatoren grundsätzlich arbeiten und berechnet werden,
liest man im Buch Halbleiter-Schaltungstechnik von U.Tietze und
Ch. Schenk im Kapitel Funktionsgeneratoren. Der typische
Dreieck-Generator mit zwei Opamps besteht aus einem
Schmitt-Trigger IC:C1 und einem aktiven Intergrator IC:C2. Je nach
Ladespannung von C6 schaltet der Ausgang des Schmitt-Triggers auf
beinahe Betriebsspannung oder beinahe GND-Pegel. Dabei wird C6,
abhängig von diesen Pegeln auf- und entladen und weil dies mit einem
konstantem Strom geschieht, entsteht eine dreieckige geradlinige Lade-
und Entladekurve. Darum die Dreieckspannung am Ausgang des
Integrators. Mehr Details, wie man mit zwei Opamps ein einfacher
Dreieckgenerator realisiert in
(14)
Auf den Ausgang des Dreieck-Generators folgt der umschaltbare
Spannungteiler. Die 1%-Widerstände sorgen für die stufenweise
äquiquoziente Spannungsteilung. Mit dem Trimmpotmeter P1 (P2 gibt es
erst als Option in Bild 5) wird die Genauigkeit aller geteilten
Spannungen abgeglichen. Da die Dreieckspannung auf Ux referenziert ist,
muss mit C7 das Spannungsteilernetzwerk DC-mässig entkoppelt werden,
weil sonst auch Ux von der Spannungsteilung betroffen wäre, was zur
Folge hätte, dass IC:C3 und IC:C4 nicht mehr richtig arbeiten würden.
Die Summe der Widerstände von P1, R9 bis R14 bilden mit der Kapazität
von C7 ein passives Hochpassfilter, dessen Grenzfrequenz wesentlich
niedriger sein muss, als die Dreieckfrequenz, weil sonst die Form des
Dreiecks verzerrt würde. Diese Hochpass-Grenzfrequenz hat einen Betrag
von etwa 0.1 Hz. Das heisst, man muss nach dem Einschalten des Gerätes
ein paar Sekunden warten, bis man damit arbeiten kann. Der Leckstrom
von C7 muss so niedrig wie möglich sein, weshalb ein Tantalelko zum
Einsatz kommt.
Die stufenweise variable Dreieckspannung am Ausgang des Drehschalters
S1B wird mit dem Impedanzwandler (IC:C3) mit einer Verstärkung von +1
auf niedrige Impedanz konvertiert. IC:C4 arbeitet als invertierender
Verstärker mit einer Verstärkung von -1. Die beiden Dreiecksignale an
den Ausgängen von IC:C3 und IC:4 stehen invertierend zu einander.
Auf die Ausgänge von IC:C3 und IC:C4 folgen je ein passives
Hochpassfilter, gegeben durch C8, R17, R18 und C9, R20, R19. Es fällt
dabei auf, dass die niedrigen Ohmwerte von R18 und R19 betreffs
Grenzfrequenz des Hochpassfilters nicht ins Gewicht fallen. Dieses
Hochpassfilter ist notwenig, damit die Dreieck-Spannung am Ausgang auf
GND bezogen ist. Das Hochpassfilter dient der DC-Entkopplung. Die
Grenzfrequenz liegt bei 0.8 Hz, was bei einer Dreieckfrequenz von mehr
als 100 Hz - hier 270 Hz - ausreichend niedrig ist. Mit den
Spannungsteilern R17/R18 und R20/R19 werden die Ausgangsspannungen der
Opamps passiv durch 100 geteilt, und so stimmen die Ausgangsspannungen
mit den beim Drehschalter S1B angegebenen Werten überein.
Ein zweipoliger Kippschalter S2 dient der Umschaltung von zwei
Ausgangswiderständen. Damit werden, wie bereits angedeutet, die
Elektroden/Gewebe-Impedanzen ungefähr nachgebildet. Low-Z
entspricht einer Messung mit relativ grossflächigen
Hautoberfächenelektroden und High-Z entspricht etwa der
intramuskulären Messung mittels Nadel- oder Drähtchenelektroden mit sehr
kleinen Kontaktflächen. Man kann die Werte von R21 bis R24 bei Bedarf
auch ändern.
Gönnt man sich einen Drehschalter mit zwei Ebenen, kann man sich das
separate Ein- und Ausschalten mit einem Kippschalter ersparen, wobei
es auch noch die Möglichkeit gäbe, mittels Drucktaste die Schaltung zu
aktivieren und ausgeschaltet wird sie verzögert automatisch. Wie man
so etwas realisiert zeigt der Elektronik-Minikurs
(12).
Die erste Ebene des Drehschalters S1A dient also der Ein- und
Ausschaltung. Es folgt die Verpolungsschutzdiode D1, die verhindert,
dass die Schaltung zerstört werden kann, wenn bei eingeschaltetem S1A
versucht wird die 9V-Blockbatterie verkehrt anzuschliessen. Es fliesst
dann kurzzeitig ein Kurzschlussstrom durch D1. Eine
1N400x-Leistungsdiode ertägt dies, weil der hohe Strom, der je nach
Alcali-Mangan-Batterietyp zwar mehr als 1 A betragen kann, jedoch nur
kurzzeitig fliesst, weil man sogleich bemerkt, dass beim Versuch die
Batterie verkehrt anzuschliessen, dies gar nicht geht. In Serie eine
solche Schutzdiode zu schalten - es müsste dann eine Schottky-Diode sein
- ginge wegen dem Spannungsabfall über der Diode auf Kosten der
Lebensdauer der Batterie. Die nutzbare Entladespannung liegt dann etwas
höher.
Die stabilisierte Betriebsspannung von +5 VDC wird mit dem
Low-Dropout-Festspannungsregler TL750L05 (IC:A) erzeugt. Dies erlaubt
ein sicheres Funktionieren der Schaltung und eine stabile
Dreieckspannung wenn die Spannung der 9V-Blockbatterie durch die stetige
Entladung auch unter 6 VDC fällt. Diese Spannung liegt unterhalb der
70%-Grenze der Batterie-Normalspannung, was in der Regel als entladen
gilt. Diode D2 verhindert ein schädlicher Rückwärtsstromfluss durch
IC:A, wenn beim Hantieren des Batteriewechsels und eingeschaltetem S1A,
die Batterie erst richtig und dann falsch an die Druckknopfanschlüsse
gehalten wird. Eine Worstcase-Funktion mit minimalstem Aufwand.
Wie die Batteriebetriebsanzeige mit IC:B funktioniert, ist in der
Einleitung bereits angedeutet. Wie diese Schaltung im Detail
funioniert, lese man bitte nach im Elektronik-Minikurs
(2).
Testsignale mit und ohne Filter
Nur weil das Dreicksignal nicht mehr so ideal aussieht, wenn es am Ausgang einer EMG-Messanlage gemessen wird, heisst das noch lange nicht, dass diese gleich in die Werkstatt muss. Bild 4 illustriert grob wie sich das Dreiecksignal etwas verändert. Diagramm 2 zeigt den Einfluss eines 50-Hz-Notchfilters, das dem Zweck dient restliche 50Hz-Brummstörungen zu beseitigen, welche sich trotz symmetrischer Signalmessungen noch geschwächt einkoppeln können. Diagramme 3 bis 5 zeigen den Einfluss eines steilen aktiven Antialiasing-Tschebyscheff-Tiefpassfilters bei drei unterschiedlichen Grenzfrequenzen. Dass das Diagramm 5 ein Sinussignal zeigt, liegt logischerweise daran, dass eine Oberwelle bei der doppelten Dreieckfrequenz von 540 Hz so stark bedämft wird, dass nur noch die Grundfrequenz, daher eine sinusförmige Spannung, übrigbleibt. Diagramme 6 und 7 illustrieren die Verzerrungen des Dreiecksignales mit einem aktiven Butterworth-Hochpassfilter 6. Ordnung zur massiven Unterdrückung von quasistationären Spannungen (Artefakte), wie dies in der Einleitung bereits erklärt ist. Die Praxis zeigte, dass eine Hochpass-Grenzfrequenz von maximal 30 Hz und praktikabel typisch 10 Hz bei der Ordnungszahl von 6 genügen.
Technische Daten
Signalform: Dreieck
Signalfrequenz: 270 Hz
Ausgangsspannung 0.1 ; 0.3 ; 1 ; 3 ; 10 mV (asymmetrisch)
Ausgangsspannung 0.2 ; 0.6 ; 2 ; 6 ; 20 mV (symmetrisch)
Man kann diese Werte leicht reduzieren,
durch die Reduktion von R18 und R19.
Ausgangswiderstand: 10 k-Ohm ; 100 k-Ohm (asymmetrisch)
20 k-Ohm ; 200 k-Ohm (symmetrisch)
Energieversorgung: 9 Volt Blockbatterie (Typ 006p)
Stromverbrauch: 1.2 mA (IC:C = TLC27M4)
2.2 mA (IC:C = TLC274)
Betriebsdauer: min. 400 Std. (IC:C = TLC27M4)
min. 220 Std. (IC:C = TLC274)
Intermittierend wesentlich länger!
Batterie-Entladung: Anzeige durch schwaches leuchten der LED,
die sonst hell blinkt.
Empfehlenswerte Links
Diese vielen Links stehen tatsächlich in Zusammenhang mit dieser kleinen EMG-Testschaltung. Mit einem EMG-Testgenerator kann man schliesslich ein komplexes EMG-Messsystem testen. Dazu gehören neben Themen die mit der Schaltung direkt etwas zu tun haben, auch generelle Themen über Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker, aber ebenso auch ein Thema wie das Rauschen und aktive im Grenzfrequenzbereich steile Tiefpassfilter in Switched-Capacitor-Technology, die zwecks Unterdrückung von Aliaseffekten vor A/D-Wandler geschaltet werden. Diese Elektronik-Minikurse bestehen zum Teil schon sehr lange. Will man fundamentalere Kenntnisse zu diesen Inhalten erwerben, gibt es einiges in den Kursen von Patrick Schnabel, wie z.B. über Operationsverstärker, oder man muss auch andere Literatur mit einbeziehen. Der erste Link hat mit Elektronik nur ganz am Rande etwas zu tun. Es geht in diesem Nicht-Elektronik-Minikurs darum, ein klein wenig über die Neurophysiologie zu lesen, die etwas mit dem Spiel der Muskeln zu tun hat. :-)
- ( 1) Elektro-Myographie (EMG), eine kleine Einführung
- ( 2) Batteriebetriebsanzeige
- ( 3) Synchronisation mit dem 230-VAC-Sinus-Nulldurchgang
- ( 4) Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter
- ( 5) AMPLIFIER-ATTENUATOR
- ( 6) Das SC-Filter, eine kurze Einführung mit praktischer Anwendung
- ( 7) SC-Tiefpassfilter-Einheit mit umschaltbaren Grenzfrequenzen
- ( 8) Steuerbares und steiles Tiefpassfilter in SC- und Analog-Technik mit grossem Frequenzbereich
- ( 9) 50-Hz-Notchfilterbank in SC-Filter-Technik (Teil 1)
- (10) Echter Differenzverstärker I
- (11) Echter Differenzverstärker II
- (12) Echter Differenzverstärker III
- (13) Lowpower-MOSFET-Minikurs und eine praktische Anwendung als Batterie-Betriebsspannung-Ausschaltverzögerung
- (14) Dreieckgenerator mit Operationsverstärker
Thomas Schaerer, 03.05.2005 ; 31.12.2005 ; 06.12.2006 ; 12.02.2008 ; 19.02.2011