4. 2. Die Interfaceschaltungen für die Manometer

 

In der Druckkammer befinden sich drei Druck-Sensoren, die den Alveolar­druck, den Atemstrom und den Kammerdruck aufnehmen. Diese Signale werden verstärkt und durch Manometer angezeigt. Je nach Messvorgang werden die Signale auf einem

X-Y-Analogschreiber aufgezeichnet, um sie auszuwerten.

 

Die Messwertaufnahme soll von einem Rechner übernommen werden. D.h., die Signale der Sensoren müssen so umgewandelt werden, dass sie vom Computer verarbeitet werden können.

 

Die vorhandene A/D - Karte hat einen analogen Eingangsaussteuerbereich von +/- 5V. Es ist sinnvoll, die Signale hinter den Messverstärkern abzugreifen, weil dann nur noch Anpassverstärker eingesetzt werden müssen.

 

 

Bild 2:   Das Signal des Drucksensors wird verstärkt und auf dem Manometer, bzw. auf dem X-Y-Schreiber zur Anzeige gebracht. Der Spannungs­abgriff für die Interfaceschaltung erfolgt an einem internen Wider­stand des Verstärkers.

 



4. 2. 1.    Das Kammerdruckinterface

 

Am Ausgang des vorhandenen Messverstärkers wurde eine Spannung von +/- 600mV bei Vollausschlag des Manometers gemessen.

Der Abgriff erfolgte zwischen dem Widerstand R27 und dem Transistor T6, sowie R26 und T5. /42/  ( Schaltbild - Elektromanometer EMT 31/P, Bild 5).

Der Gleichpegel liegt bei -1,7 V. Der Widerstand, an dem die Spannung gemessen wurde, setzt sich aus mehreren Widerständen zusammen und hat einen Gesamtwert von RAbgriff = 817 Ω . /42/

 

Diese Spannung muss auf +/- 5V verstärkt werden, mit einer geforderten Genauigkeit von 10 Bit. Die Schaltung soll für einen Temperaturbereich von 0o C bis 700 C ausgelegt werden.

 

Daraus folgt für die Verstärkung V,

 

V = 5V / 0.6V = 8,33

 

und für die Genauigkeit der Ausgangsspannung bei 10 bit Auflösung:

 

10V / ( 2 * 1024 ) = 4,88 mV                        (1/2 LSB)

 

In einer früheren Entwicklungsphase sollten die Mess-Signale direkt am Drucksensor abgegriffen werden. Im Rahmen dieses Konzeptes benötigte man Operationsverstärker mit einer hohen Genauigkeit, die auch beschafft, jedoch nicht verwendet wurden.

 

Die Bezeichnung des Verstärkers, der aufgrund der geringen Drifte von 2 μV/° C und des kleinen Offsets von 0,5 mV ausgesucht wurde, ist AD 547 KH von der Firma Analog Devices.

 

Die folgende Offsetberechnung gibt Aufschluss über die Verwendbarkeit des Typs. Der Einfluss der Offsetspannung und der Eingangsströme auf das Ausgangs­signal soll mit Hilfe des folgenden Ersatzschaltbildes berechnet werden.

 

 

Bild 3:   Differenzverstärker mit Darstellung der Störgrößen zur Offsetberech­nung.

 

Mit der Summe aller in einen Knoten Hineinfliessenden Ströme gleich Null, kann für den Knoten KI folgende Gleichung aufstellen.

 

 Uaoff – UN           UN – UP + Udoff

- IN  +  ---------------  -  ----------------------  =  0

     R3                     R1  +  R2

 

 

 

Und für den Knoten K2.

 

   UN    UP  +  Udoff          UP - Udoff

- IP  +  ------------------------  -  ----------------  =  0

                 R1  +  R2          R4

 

 

Mit UN = Up und Auflösung nach Uaoff ergibt sich folgender Zusammen­hang.

 

                                                    R3  +  R4

Uaoff  =  IN R3  -  IP R4 + Udoff ( ----------------  +  1 )

                                                    R1  +  R2

 

Mit R1 = R2 und R3 = R4 ergibt sich

 

Uaoff  =  Udoff ( V  +  1 )  -  R3  (IP  -  I   N )

 

Die statischen Störquellen werden mit einem Trimmer kompensiert, so dass für Udoff und I0 = IP  -  IN die dynamischen Werte eingesetzt werden müssen.

 

Mit einer temperaturabhängigen Eingangs-Nullspannung von 2 μV/ °C und einem Eingangs-Nullstrom von 2 pA, der seinen Wert bei einem Temperaturanstieg von 10 °C verdoppelt, errechnet sich Uaoff  wie folgt:

 

Mit einer maximalen Temperatur von 70°C und R3 = 110 kΩ; R1 = 12 kΩ

 

                2 μV

Uaoff  =  ---------  *  45 °C  ( 9,167 + 1 ) - 110 kΩ  *  45,25 pA = 0,91 mV

                  °C

 

Uaoff <= 4,88 mV

 

Die Auswirkung einer endlichen Gleichtaktunterdrückung soll in folgender Rechnung überprüft werden. /23/

 

Mit G = 10000, AD =  α  = R3 / R1 und UGL  = 1,7 V folgt:

 

Uagl  =  α  * UGL  /  G  =  9,17  *  1,7  /  10000  =  1,56 mV

 

Sind die Widerstandsverhältnisse gleich, wird G ≈ ∞. Durch eine gute Aus­wahl der Widerstandspaare kann man den Fehler minimieren.

 

Dieser Verstärker wurde für die Interfaceschaltung eingesetzt. Weil es sich bei dem Eingangssignal um eine Differenzspannung handelt, wird der Operationsverstärker als Differenzverstärker geschaltet.

 

Das folgende Bild zeigt die Interfaceschaltung.

 

 

Bild 4:   Differenzverstärker, zur Anpassung der Signale des Kammerdruck­sensors an den Rechner

 

Wählt man für die Widerstände R1 und RZ, sowie für R3 und R4 je gleiche Werte, so berechnet sich die Ausgangsspannung Uout wie folgt:

 

UZ = Udiff * R3 / R1

 

Uout  =  UZ  * ( P2  +  R6 ) / ( R5  +  R6  +  P2 )

 

=> Uout  =   Udiff  *  R3 / R1  *  ( P2  +  R6 ) / (R5  +  R6  +  P2 )

 

Um den statischen Offset abgleichen zu können, wird der Trimmer P1 benötigt. Die Dioden D1 und D2 schützen den Operationsverstärker bei falscher Polung der Betriebsspannung vor Zerstörung. Die Kondensatoren C1 und C2 glätten die Betriebsspannung.

 

 

Weil die gewählten Metallfilmwiderstände eine 1%-tige Toleranz aufweisen,

muss die Verstärkung zwischen Uz und Udiff größer als V = 8,33 sein, damit sich durch geeignete Wahl von R5, R6 und P2 die Ausgangsspannung Uout genau auf +/- 5V einstellen lässt.

Mit RAbgriff = 35 wurde für die Widerstände R1 und R2 ein Wert von 12 k gewählt und für R3,R4 je 110 k. Die max. Verstärkung wird sich bei einem Maximalwert von R3,R4 und einem Minimalwert von R1,R2 ergeben. Die min. Verstärkung ergäbe sich bei der umgekehrten Zusammenstellung.

Mit Vmax = 9,352 und mit Vmin = 8,985 ergeben sich für Uz bei Vollaus­schlag folgenden Werte:    Uz1 = 5,611 V und Uz2 = 5,391 V

 

Nimmt man für R5 einen Wert von 1 K an, so lässt sich mit P2 = 0 der Widerstand R6 berechnen.

 

R6 = Uout * R5 / ( Uz1 - Uout ) = 5 V * 1 k / 0,611 V = 8,183 k

 

Für R6 wurde aus der Widerstandsreihe E12 der Wert R6 = 7,5 K gewählt.

Mit R5 und R6 lässt sich der maximal benötigte Wert von P2 bestimmen.

 

P2 = ( Uz2 * R6 - Uout * ( R5 + R6)) / ( Uout - Uz2 )

 

P2 = ( 5,391 V * 7,5 k - 5 V * 8,5 k ) / ( -0,391 ) = 5,288 k

 

Für den Trimmer P2 wurde ein Wert von 10 k ausgewählt.

 

Im Datenblatt des OPs wird für P1 ein Wert von 10 K und für C1,C2 ein Wert von 1μF angegeben.

 

Die Ausgangsspannung wird im Rahmen des Digitalisierungskonzeptes mit 500 Hz abgetastet. Nach dem Abtasttheorem muss das Signal auf 250 Hz bandbegrenzt sein.

 

Deshalb wurde am Ausgang des OPs ein Tiefpass nachgeschaltet. Dieser Tiefpass schützt den Verstärker bei ausgangsseitigem Kurzschluss vor Zer­störung und begrenzt bei Auftreten einer Schwingung die Bandbreite.

Mit C3 = 1000 nF ergibt sich am Ausgang eine Tiefpaßgrenzfrquenz von:

 

fgTP = 1 / ( 2 * π * R5 || (P2 + R6) * C3 ) = 168 Hz

 

Mit dem Widerstand R5 erhöht sich der Ausgangswiderstand der Messschaltung auf 1kΩ.

Dem Eingang auf der A/D-Karte ist ein Impedanzwandler vorgeschaltet. Er besteht aus einem Operationsverstärker ( LF 356 ) mit FET-Eingangsstufen, so dass die Erhöhung des Ausgangswiderstandes sich nur sehr gering auf die Messwerte auswirkt. /8/

 

 

 



4. 2. 2. Das Alveolardruckinterface

 

Am Ausgang des Messverstärkers für den Alveolardruck wurde bei Vollaus­schlag des Zeigerinstrumentes eine Spannung von - 200 mV bis 1 V gemessen.

Die Spannung hat einen Gleichpegel von -1,7 V. Diese Differenzspannung muss, wie schon beim Kammerdruck, auf +/- 5V verstärkt und in seiner Spannungslage verschoben werden. Dafür ist ein Differenzverstärker nötig. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind identisch mit denen des Kammer­druckinterfaces.

Weil die Verschiebung der Eingangsdifferenzspannung über den Trimmer P3 vorgenommen werden kann, erfolgt die Dimensionierung in gleicher Weise wie bei dem Kammerdruckinterface. Die Werte dieser Bauelemente sind identisch mit den entsprechenden Bauelementen aus dem Kammerdruckinter­face.

 

 

Bild 5:   Interfaceschaltung, die die Signale des Alveolardruck-Sensors an den Rechner anpasst.

 

Zum Schutz vor Verpolung wird die Betriebsspannung hinter den Dioden D1 und D2 abgegriffen werden.

 

 



4. 2. 3. Das Strömungsinterface

 

Bei Vollausschlag des Atemstrommanometers wurde an dem Ausgang des Messverstärkers eine Spannung von + 110 mV gemessen. Da diese Spannung auch auf +/- 5V verstärkt werden muss, ergibt sich für die Verstärkung V folgender Wert:

 

V = 5 V / 110 mV = 45.45

 

Es wird wiederum eine Differenz-Verstärker-Schaltung gewählt.

 

Der dynamische Offsetfehler berechnet sich in gleicher Weise wie beim Kammerdruckinterface.

 

Uaoff = Udoff ( V + 1 ) - R3 ( IP - IN )

 

Mit einer maximalen Betriebstemperatur von 70 °C und R15 = R16 = 200 kΩ.

 

                   μV

Uaoff = 2 ------  * 45 °C ( 46,512 + 1 ) - 200 kΩ * 45,25 pA = 4,267 mV

                         °C

 

Uaoff <= 4,88 mV

 

 

Bild 6:   Atemstrominterface, zur Anpassung an den Computer

 

Die Dimensionierung erfolgt in gleicher Weise wie bei dem Kammerdruck­interface. Mit RAbgriff < 1 Ω wurden für die Widerstände R15 und R16 ein Wert von 200 kΩ gewählt, sowie für R13, R14 je 4,3 kΩ. Damit beträgt die Verstärkung

 

V = R15 / R13 = 200 kΩ / 4,3 kΩ = 46,512

 

Die maximale Verstärkung errechnet sich aus dem Maximalwert von R15 und dem Minimalwert von R13. Die min. Verstärkung aus den Minimal- bzw. Maximallwerten von R15 und R13. Mit Vmax = 47,451 und mit Vmin = 45,591 ergeben sich bei Vollausschlag für Uz folgende Werte:

 

Uz1 = 5.220 V bzw. Uz2 = 5,015 V.

 

Wird für den Widerstand R17 = 820 Ω gewählt, so lässt sich mit P6 = 0 Ω der Widerstand R18 berechnen.

 

R18 = Uout * R18 / ( Uz1 - Uout ) = 5 V * 820 Ω / 0.220 V = 18,636 kΩ

 

Für R18 wurde aus der Widerstandsreihe E12 der Wert R18 = 18 kΩ gewählt. Mit den Angaben von R17 und R18 lässt sich der maximal benötigte Wert von P6 bestimmen.

 

P6 = ( Uz2 * R18 - Uout * ( R17 + R18 )) / ( Uout - Uz2 )

 

P6 = ( 5,015 V * 18 kΩ - 5 V + ( 820 Ω + 18 kΩ )) / ( -0.015 ) = 255,33 kΩ

 

Für den Trimmer P6 wurde ein Wert von 300 kΩ gewählt. Für P5 wird, wie schon bei dem Kammerdruckinterface, 10 kΩ gewählt. Die Kondensatoren C7 und C8 haben die gleichen Werte wie C1 und C2. Für C9 = 1000 nF ergibt sich eine Tiefpassgrenzfrequenz von: ( siehe 4.2.1 )

 

fgTPK = 1 / ( 2 *  π  * R17 || (P6 + R18) * C9 ) = 195 Hz