EMG-Biofeedback-Gerät

 



EMG-Biofeedback ein Bastelprojekt

Ursprünglich diente der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses einem Praktikum an der ETH-Zürich vom Frühjahrs-Semester im Jahre 2002 bis und mit dem Herbst-Semester im Jahre 2016. Das Praktikum fand dreissig Mal statt. Ende 2016 begann meine Pensionierung. Die Elektronik als Hobby ist geblieben, leicht erkennbar mit meinen Elektronik-Minikursen beim Elektronik-Kompendium (das ELKO). Damit begann ich etwas früher im Jahre 2000.



Das Blockschema

Die Messung erfolgt differenziell mit einem Elektriodenpaar an den Anschlüssen -IN und +IN. Grundsätzlich ist die Referenzspannung Ux halb so gross, wie die Betriebsspannung +Ub. Dies trifft dann zu, wenn die die Operationsverstärker (Opamp) rail-to-rail-Eigenschaften haben. Dies ist nicht der Fall, weil handelsübliche, leicht erhältliche und preisgünstige LinCMOS-Opamps von Texas-Instruments (TI) zum Einsatz kommen.

Mit +6 VDC (+Ub) wir die gesamte Elektronik versorgt. Die Spannung von Ux beträgt 2.6 VDC. Ux ist verbunbden mit der Masse-Elektrode, abgebildet im zweiten Foto (siehe oben) eine kleine Alustonge. Diese eignet sich um sie in der einen Hand zu halten. Ansonsten benutzt man eine grossflächige Elektrode auf der Haut fixiert oder Schlicht ein so genanntes Erdband, das man um einen Arm herum fixiert. Ein Antistatikband eignet sich nicht, weil ein relativ hochohmiger Widerstand integriert ist. Dieser Kontakt überträgt die Referenzspannung Ux vom Körper über die Mess-Elektroden via -IN und +IN zur gesamten Elektronik, an den Orten wo Ux im Einsatz ist. Diese Verbindung ist extrem hochohmig, wegen den CMOS-Eingängen und schon deshalb ungefährlich, weil betteriebetrieben.

Die EMG-Spannung an den Elektroden ist sehr niedrig. Bei entspanntem Muskel etwa 5 µV, bei Muskelanspannung einige 10 manchmal auch deutlich mehr als 100 µV. Das ist u.a. abhängig vom Alter des Probanden. Wie auch immer, diese Spannung muss man massiv verstärken. Die erste fixe Spannungsverstärkung von 100 übernimmt die Instrumentations-Verstärkerschaltung V1. V2 erlaubt eine variable Verstärkung zwischen 10 und 200. Der Gesamtbereich liegt zwischen 1'000 und 20'000. Nachfolgend ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 1 kHz. Diese Bandbreite genügt zur EMG-Messung an der Hautoberfläche. Damit reduziert es deutlich die Verstärker-Rauschspannung, die wegen der eigenen deutlich höheren Grenzfrquenz zu hoch wäre. V2a weisst darauf hin, dass die Tiefpassfilterung Teil der Verstärkerschaltung V2 ist.

Darauf folgt eine Synchron-Vollweg-Gleichrichtung die keine Dioden benötigt. Im Anschluss darauf folgt ein passiver Integrator mit einer einstellbaren Zeitkonstante zwischen 50 ms und 1s. Damit kann man einstellen, wie schnell die Tonfrequenz einer Änderung der verstärkten EMG-Frequenz folgen soll. Weiter folgt ein spannungsgesteuerter Rechteck-Oszillator (VCO), realisiert mit dem PLL-IC CD4946 (CMOS).

Das Netzteil besteht aus einer 9B-Blockbatterie, Eine/Aus-Schalter, einem Spannungsregler zur Erzeugung der Betribesspannung von 6 VDC (+Ub) und einem aktiven Spannungteiler zur Erzeugung der Referenzspannung Ux von 2.6 VDC.



Die Schaltung

Datenblätter: Es folgen zuerst in Reihe hintereinander die Links zu einigen Bauteilen die hier im Einsatz sind. Das sind u.a. die verwendeten Operationsverstärker (Opamp) und diejenigen der selben Typen mit abweichenden Parametern, die wir vergleichend kurz betrachten werden zur Begründung für die Typen die wir hier einsetzen. * = Typen im Einsatz.
TLC271* || TLC27M2* || TLC272 || TLC274* || TLC27M4 || TLC27L4 ||
CD4046* || TL750L5* || BF245A* || J113(*) || 1N914*,(1N4148) || 1N4002* ||

Die Funktionsweise der Schaltung in Bild 2 wird eher etwas kurz gehalten erklärt. Man beachte die Linkhinweise in den eckigen Klammern [HTMx]. x ist die Nummer, zugeordnet zu den einzelnen Schaltungsdetails. Zum Beispiel der Intrumentationsverstärker (IC:A2-A4) mit [HTM1], den eingangsseitigen Überspannzngsschutz (Dioden:D1-D4) mit [HTM2] oder der Synchron-Gleichrichter (IC:C1,C2) mit [HTM3]. Das geht so weiter bis und mit [HTM5].

Im letzten Kapitel "Links" gibt es zu jedem [HTMx] den passenden Elektronik-Minikurs-Link, geeignet zur Vertiefung des Thema. Man kann jederzeit hier unterbrechen und in einem solchen Elektronik-Minikurs weiterlesen und sich informieren. Will man beides gleichzeitig auf dem Monitor sehen, kann man auch gleich hier auf Links-Separat klicken und dann mit der Maus die Fenstergrösse anpassen.

LinCMOS-Opamp im Einsatz: Im Einsatz sind der Quad-Opamp IC:A TLC274, die beiden Dual-Opamps 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 ist stets so bei diesen CMOS-Opamp-Familie von Texas-Instruments (TI), je niedriger die Wahl der Rauschspannung um so höher den Leistungsverbrauch und umgekehrt. Die Frequenzbandbreite ist ebenfalls höher, desto höher der Leistungsverbrauch. Die Priorität hat hier die neidrige Rauschspannung, als 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 bei Lowest-Power-Version TLC27L4 nur 40 µA.

Diese Unterschiede sind gross und haben eine Bedeutung bei Batteriebetrieb. Dies trifft hier zu, aber ein Kompromiss ergibt sich mit der Wahl von M-Typen (M = medium) nur gerade für die Dual-Opamps IC:B und IC:C (TLC27M2). IC:D (TLC271) ist ein Einzel-Opamp bei dem man den so genannten Biase-Mode selbst wählen kann in drei Stufen. Wenn Pin 8 auf +Ub (hier 6 VDC) gesetzt ist, ist der Betriebsstrom am niedrigsten. Siehe Seite 2 im TLC271-Datenblatt. Dies kann man sich hier leisten, weil nur eine sehr langsame Spannungsänderung verarbeitet werden muss, für die Steuerung des VCO IC:E (CD4046).

Schaltung 2 im Detail:
Wie bereits angedeutet, werden hier die einzenen Funktionen nur kurz beschrieben. Die Details lernt man jeweils ind den [HTM]-Elektronik-Minikursen. Wir beginnen mit dem Instrumenationsverstärker, hier realisiert mit drei Opamps von 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. Trimmpot TP1 dient dem exakten Abgleich für die maximale Unterdrückung des Gleichtaktsignal. Dies ist der Falle, wenn R9+R10 = R8. TP1 muss ein Mehrgang-Trimmpot sein, damit der Abgleich optimal möglich ist. Gelingt dies nicht. wird eine Gleichtaktstörspannung an den Eingängen -INP und +INP schlecht unterdrückt.

C1-Kondensator-Problem: Als ich diese Schaltung realisierte, gab es kleine polarisierte Elkos, welche eine inverse Spannung von 30 % der Nennspannung erlaubten. Mehr dazu liest man speziell in [HTM1a]. Siehe Linkliste.



Links

Es folgen die Links, welche in Beziehung zu diesem Bastelprojekt des stehen:

  • Operationsverstärker I [HTM1]
    Thematisch sehr umfassend: Geeignet für den Einstieg mit bereits erworbenem einfachem Grundlagenwissen.
  • 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 einen speziellen Elko (C1), der mit 30 % der Nennespannung 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 an seiner Stellen einen unpolarisierten Elko einsetzen. Diese sind leider zu gross, wenn man das Printlayout hier verwenden will. In der Zwischenzeit gibt es kleine keramische Multilayer-Keramikkondensatoren mit 10 µF. Einen solchen kann man einsetzen. Mehr dazu in der Materialliste unter "Keramik-Kondensator statt Spezial-Trocken-Elko".
  • 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.
  • 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.





Thomas Schaerer, dd.mm.2020