Pulsgenerator

Letzte Änderumg am 28.11.2010  

An dieser Stelle soll ein einfacher Pulsgenerator zum Kalibireren des EKG-Gerätes vorgestellt werden. Eigentlich kann er einfach aufgebaut und benutzt werden. Wer es aber etwas genauer haben will, kann die Messungen, die weiter unten beschrieben werden, durchführen.

Die Schaltung

Die Schaltung besteht aus einem Rechteckoszillator, der Pulse von etwa 40 ms Länge im Abstand von etwa einer Sekunde erzeugt. Dessen Ausgangssignal wird zwei Komapratoren/Treibern zugeführt. Der eine Steuert eine LED an, die zur Kontrolle der Schaltung dient. Der zweite Treiber bedient eine Zenerdiode, so daß am Ausgang D Pulse von 5,1 V zur Verfügung stehen. Um nun etwa auf das geforderte halbe Milivolt zu kommen, schließt sich ein Spannungsteiler an. Die Pulshöhe UA am Ausgang A+ (bezogen auf A- oder E) ist also

                R_A                1,2 Ω
  U_A = U_D ----------- = 5,1 V ----------- = 0,41 µV
             R_V + R_A           15001,2 Ω

Beim Aufbau ist darauf zu achten, daß die Spannung UA (also die Anschlüsse A+ und A-) möglichst nah an RA abgenommen werden.

Pulsgenerator.png

Die Versorgungsspannung wird an den Anschlüssen „9 V“ und E zugeführt. Die Ausgangsspannung zur Kalibrierung liegt an A+ und A- an. Die schwarze Buchse des EKG-Gerätes und der nicht benutzte Eingang werden ebenfalls an E angeschlossen. Wie die Kalibrierung selbst vonstatten geht, ist beim EKG-Gerät beschrieben. Der Anschluß D wird nur benötigt, wenn man die Höhe des Ausgangspulses genauer bestimmen will.

Ausmessen des Ausgangspulses

Um es gleich vorweg zu sagen: eine wirklich genaue Kalibrierung sowohl des Pulsgenerators als auch des EKG-Gerätes ist kaum möglich, da beide mit sehr einfachen Standardbauteilen aufgebaut sind. Die hier beschriebenen Betrachtungen sind daher von eher akademischem Interesse.

Die erste Ungenauigkeit, um die wir uns kümmern wollen, ist die Toleranz der Widerstände RA und RV. Der Gesamtwiderstand aus RA + RV läßt sich einfach mit dem Digitalmultimeter zwischen Punkt D und Punkt A- messen. Der Widerstand RA wäre eigentlich zwischen A+ und A- zu messen, doch muß man dabei berücksichtigen, daß der Kontaktwiderstand der Meßspitzen des Mulitmeters hier nicht zu vernachlässigen ist. Wenn man also die Meßspitzen des Multimeters direkt zusammenhält (oder noch besser: beide an den selben Pin von RA), dann bekommt man einen Kontaktwiderstand RK, der in der Größenordnung von einigen zehntel Ohm liegt. Um den Wert von RA zu bestimmen, muß also vom Meßwert für RA der Kontaktwiderstand RK abgezogen werden.

Wer ein Oszilloskop zur Verfügung hat, kann sich als nächstes der Spannung UD an der Diode zuwenden. Die kann nämlich durch Exemplarstreuungen der Zenerdiode und durch die Größe des Diodenstroms auch vom Nennwert abweichen. Im Bild unten ist der Spannungsverlauf an Punkt D zu sehen.

diode.chan.png
Spannungsverlauf am Punkt D

Eine Messung der Pulshöhe mit den Cursorn des Oszilloskops kommt hier auf 5,0 V. (An dieser Stelle könnte man sich jetzt auch noch Gedanken um die Meßgenauigkeit des Oszis machen…)

Zusammenfassend kommt man also zu der neuen Rechnung

  R_V + R_A        = 14890 Ω
  R_K              =   0,5 Ω
  R_Ag             =   1,7 Ω (gemessen)
  R_A = R_Ag - R_K =   1,2 Ω
  U_D              =   5,0 V

                R_A                1,2 Ω
  U_A = U_D ----------- = 5,0 V ----------- = 0,40 µV
             R_V + R_A           14890 Ω

Der Unterschied zur Rechnung oben ist also in Anbetracht aller hier nicht beachteten oder bekannten Ungenauigkeiten eigentlich vernachlässigbar.

Zuletzt kann man sich noch fragen, warum man denn die Pulshöhe am Ausgang nicht direkt mit dem Oszi mißt. Der erste Versuch ist im Bild unten links zu sehen. Hier wird einfach mit einem Kanal die Spannung zwischen A+ und A- abgegriffen.

einzel.chan.png diff.chan.png
Messung der Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop; links direkt, rechts als Differenzmessung

Wie man sieht, sieht man fast nichts. Da das Oszi sehr Breitbandig ist (das normale Haushaltsoszilloskop macht ja midestens einige zehn Megaherz), bekommt es auch wirklich alles Rauschen mit, was man so auffangen kann. Man kann die Stellen, an denen die Pulse kommen, an den Stellen im Rauschen erahnen, die mit Pfeilen markiert sind.

Etwas besser wird die Situation, wenn man mit dem Oszi eine Differenzmessung macht. Dabei mißt Kanal 1 die Spannung an A+ gegen E und Kanal 2 an A- gegen E. Im Oszi wird dann die Differenz der beiden Kanäle gebildet, die im Bild rechts zu sehen ist. Das Rauschen wird deutlich kleiner und man kann die Pulse, wieder mit Pfeilen markiert, recht gut erkennen. Eine Aussage über die genaue Höhe der Pulse läßt sich aber nicht machen.

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