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Operationsverstärker
und
Instrumentationsverstärker

Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

Käufer Elektronik-Workshop Kundenmeinung:
Mein Lob gilt der übersichtlichen und schönen Darstellung und der guten didaktischen Aufbereitung. Selten werden Schaltungen so gut erklärt, dass es auch noch Spaß macht sich damit zu beschäftigen.

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Timer 555

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EMG-Testgenerator

 


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.

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.

Der grosse Bruder zu diesem EMG-Testgenerator, der auch für anderes eingesetzt werden kann und vielseitiger ist, 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.).



Minimale 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 Rechtecksignal würde optisch am Oszilloskopen kaum erkennen lassen, wenn die Amplitude 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. Die gerade Linie eines Dreieckssignales lässt bei guter Beobachtung bereits eine Nichtlinearität von etwa 1 Prozent erkennen. Es liegt also auf der Hand, sich für einen Dreieck-Signalgenerator 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, das 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-Signalgenerator liefert eine Spannung mit einer Dreieckspannung von 2 Vpp (Vpp = Volt peak-to-peak). Es ist klar, dass sich eine solche hohe Spannung nicht eignet einen hochempfindlichen Verstärker zu testen, der bereits mit 10 mV oder weniger übersteuert werden kann. Diese viel zu hohe Spannung muss in Stufen massiv durch Teilung reduziert werden. Dies geschieht mittels Drehschalter mit fünf Stufen. Eine sechste Stufe OFF schaltet das Gerät aus (Bild 3). 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 (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-Signalgenerator mit einer Frequenz von etwa 270 Hz und einer Amplitude von 2 Vpp. Wie Dreieck-Signalgeneratoren grundsätzlich arbeiten und berechnet werden, liest man im Buch Halbleiter-Schaltungstechnik von U.Tietze und Ch. Schenk im Kapitel Funktionsgeneratoren. Der typische Dreieck-Signalgenerator mit zwei Opamps besteht aus einem Schmitt-Trigger IC:C1 und einem aktiven Integrator 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 Dreieck-Signalgenerator realisiert, liest man in (15)

Auf den Ausgang des Dreieck-Signalgenerators folgt der umschaltbare Spannungteiler. Die 1%-Widerstände sorgen für die stufenweise äquiquoziente Spannungsteilung. Mit dem Trimmpotmeter P1 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 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 (14). 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 erträgt 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, lese man bitte nach im Elektronik-Minikurs (2). An dieser Stelle ein wichtiger Hinweis. Es kann sein, dass die LED nicht genau bei der richtigen Batteriespannung den Entladeszustand anzeigt. Das hat etwas mit der Streuung der Widerstandswerte des internen Widerstandsnetzwerkes und der DC-Offsetspannungen der Komparatoren im LMC555 oder TLC555 zu tun. Dadurch weichen die Triggerpegel leicht ab. Die Werte der Toleranz der Triggerpegel liest man in den Datenblättern von LMC555 und TLC555. Diese Abweichungen lassen sich korrigieren, in dem man R1 etwas erhöht oder reduziert. Die Alternative dazu ist die Justierung mittels eines Trimmpotmeter, wie dies Bild 1 im soeben genannten Elektronik-Minikurs (2) zeigt.



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 bedämpft wird, dass nur noch die Grundfrequenz, daher eine sinusförmige Spannung, übrig bleibt. 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 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...



Thomas Schaerer, 03.05.2005 ; 31.12.2005 ; 06.12.2006 ; 12.02.2008 ; 19.02.2011 ; 04.03.2014 ; 16.07.2014 ; 18.09.2014