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 Ω
wurde für die Widerstände R1 und R2 ein Wert von 12 kΩ gewählt und für R3,R4 je 110 kΩ. 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 KΩ an, so lässt sich mit P2 = 0Ω
der Widerstand R6 berechnen.
R6 = Uout * R5 / ( Uz1 - Uout ) = 5 V * 1 kΩ / 0,611 V = 8,183 kΩ
Für R6 wurde aus der Widerstandsreihe E12 der Wert R6 =
7,5 KΩ 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 kΩ
- 5 V * 8,5 kΩ ) / ( -0,391 ) =
5,288 kΩ
Für den Trimmer P2 wurde ein Wert von 10 kΩ ausgewählt.
Im Datenblatt des OPs wird für P1 ein Wert von 10 KΩ 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