Praktikumsanleitung A3

Versuch: A3 Verstärkerschaltungen für ein EKG
Ziel dieses Versuches:
Transistoren und OP als Verstärker verstehen.
Inhalte:
Differenzverstärker aus Transistoren und OPs, Spannungsverstärkung,
OP als Komparator, negative Rückkopplung, Verstärker und Pulsformer, positive Rückkopplung,
Trigger
Vorkenntnisse:
Transistorfunktion, Hochpass, Tiefpass, OP, OP-Schaltungen,
Vorarbeiten
Anleitung durcharbeiten, Fragen in Kap.1 beantworten.
benötigte Hilfsmittel
Protokollbuch, Millimeterpapier
Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr. 39 48565 Steinfurt
Tel: 02551/962 -124 / -166 Fax: 02551/962-201 e-mail: [email protected]
A/D-Technik Praktikum
Versuch: A3 EKG
1 Vorarbeiten:
Lesen Sie diese Anleitung.
Schreiben Sie die üblichen Angaben ins Protokollbuch.
In ihr Protokollbuch:

Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit Transistoren aus der Vorlesung, schreiben Sie die
Verstärkungsformel daneben.

Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit OP aus der Vorlesung, schreiben Sie die
Verstärkungsformel daneben.

Zeichen Sie einen Hochpass und einen Tiefpass mit R und C, schreiben Sie die Formel für die
jeweilige Grenzfrequenz daneben.
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Versuch: A3 EKG
2 Einleitung
2.1 Allgemeines
Mit einem EKG-Gerät können die elektrischen Signale, die das Herz zum Schlagen anregen,
gemessen werden (Entschuldigen Sie meine medizinlaienhafte Ausdrucksweise. Bei Wikipedia unter
http://de.wikipedia.org/wiki/EKG wird das alles etwas ausführlicher dargestellt.).Die am Herzen
entstehenden Spannungen können an verschiedenen Stellen des Körpers gemessen werden.
In diesem Versuch messen wir zwei Spannungen: die Spannung zwischen rechtem Arm und linkem
Fuss und die Spannung zwischen linkem Arm und linkem Fuss, veranschaulicht im nächsten Bild.
(Ich
hab
das
Bild
von
einer
Webseite
[http://formica.nusseis.de/EKG/] kopiert, die + und – Zeichen im Bild
dürfen Sie nicht Ernst nehmen, die verwirren nur, glaub ich.)
Wir benötigen also 3 Elektroden. Zwei werden an das Handgelenk
geklebt, etwa da wo man auch Puls fühlt, und eine Elektrode an die
Innenseite des linken Fusses, unterhalb des Knöchels.
Die entstehenden Spannungen sind im Bereich einiger Millivolt,
müssen also verstärkt werden. Ein Problem ist, dass viele
elektromagnetische Störsignale (z.B. vom Stromnetz, von
Elektromotoren usw.) aufgefangen werden und das schwache
Messsignal verfälschen.
Abhilfe schafft man auf drei Weisen: Man versucht, die Störungen zu minimieren, durch Abschirmung
und durch Schaffung von Abständen. Man filtert das Messignal mit Hoch- und Tiefpässen, so dass die
typischen Frequenzen des Signals nicht oder wenig geschwächt werden, die Störfrequenzen aber
stark geschwächt werden. Und man misst Differenz von 2 Signalen, so dass Störungen, die auf beiden
Signalen ähnlich wirken, dadurch unterdrückt werden. Deshalb wird hier die Differenz der Spannungen
zwischen linker und rechter Hand gemessen.
Ein typisches Signal hat nebenstehende
Form. Dabei beträgt die Spannung des
Maximums einige Millivolt, das ganze
Signal dauert etwa 1 Sekunde.
Mit unserem Versuchsaufbau werden
wir insbesondere die R-Zacke sehen
können. Für die feineren Strukturen
muss die Schaltung dann doch
aufwendiger werden.
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2.2 Differenzverstärker mit Transistoren
Die beiden Signale zwischen den beiden Händen und dem Fuss werden erst einmal mit einer
Schaltung verstärkt, in der 2 Transistoren als Differenzverstärker arbeiten.
Die grundlegende Schaltung (hier
links) wurde in der Vorlesung
behandelt.
Dabei
sind
die
Ausgangsspannungen Ua1 bzw.
Ua2 proportional zur Differenz der
beiden Eingangsspannungen.
Im Prinzipschaltbild ist im unteren
Teil eine Konstantstromquelle
eingezeichnet. Sie wird hier durch
den
47kOhm
Widerstand
näherungsweise ersetzt.
„Klappt“ man im nebentehenden
Bild den rechten Teil um, dann
entsteht genau das Schaltbild hier
links. Auf diese Weise soll nämlich hinterher auch die konkrete Schaltung auf dem Steckbrett
aufgebaut werden.
Welche Unterschiede sieht man noch zwischen Prinzipschaltung und realer Schaltung? Im Prinzipbild
werden die Eingangsspannungen direkt
an die Basen der Transistoren
angeschlossen, im realen Bild ist jeweil
noch ein RC-Glied eingebaut. Dieses
RC-Glied ist hier ein Hochpass. Für
niedrige Frequenzen, insbesondere für
Gleichspannung, stellt der Kondensator
einen großen Widerstand dar, der
Spannungsteiler aus R und C gibt also
nur eine kleine Spannung an die
Transistoren. Bei hohen Frequenzen ist
der Widerstand von C klein, (fast) die
gesamte Eingangsspannung liegt an der
Transistorbasis
an.
Niedrige
Frequenzen
und
Gleichspannung
werden also unterdrückt. Wo ist die
Grenzfrequenz dieses Hochpasses? Mit
R=470KOhm und C=10µF folgt eine
Zeitkonstante R*C von 4,7 Sekunden,
also
eine
Grenzfrequenz
von
f=1/(2*pi*4,7sec)=0.03Hz.
Hiermit
werden also sehr langsame Änderungen und Gleichspannungen vom Verstärker ferngehalten.
Wie werden die 3 Elektroden angeschlossen? Die Fusselektrode wird mit dem Masseanschluss
verbunden, eine Handelektrode mit Eingang in1, die andere mit Eingang i2.
Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Kollektor- zu den Emitterwiderständen bestimmt, sollte
also v=22/0,47 ~40 sein. Aus einigen Millivolt Eingangsspannung könnten also einige 10 mV bis etwa
100 mV resultieren.
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Dies muss weiter verstärkt werden. Dazu nehmen wir einen weiteren Differenzverstärker, der mit
einem OP aufgebaut wird.
2.3 Differenzverstärker mit OP
In der Vorlesung ist diese Schaltung behandelt werden. Sie sieht prinizipiell so aus:
Hier ist die Ausgangsspannung auch
proportional zur Differenz der beiden
Eingangsspannungen,
die
Verstärkung
entspricht dem Verhältnis der Widerstände in
Zuleitung und Rückkopplung, ist also hier
1MOhm/10kOhm = 100.
Allerdings fügen wir auch in dieser Schaltung
noch Kondensatoren ein, um einen weiteren
Hochpass und einen Tiefpass zu erzeugen.
In einer vereinfachten Analyse kann man sich
folgendes überlegen:
Schauen wir uns erst die 10nF in der
Rückkopplung an. Bei niedrigen Frequenzen ist
dessen Wechselstromwiderstand sehr hoch,
also wird die Rückkopplung durch den 1MOhm Widerstand bestimmt. Bei hohen Frequenzen nimmt
die Impedanz des Kondensators ab, sie wird sogar kleiner als 1 MOhm, die Verstärkung wird jetzt
(Parallelschaltung von Widerständen) durch die Impedanz von C bestimmt, die mit zunehmder
Frequenz kleiner wird. Also werden hohe Frequenzen immer weniger verstärkt: ein Tiefpass. Seine
Grenzfrequenz wird wieder über R und C bestimmt. R*C=1MOhm*10nF=10ms, also Grenzfrequenz
f=1/(2*pi*10ms)~16Hz. Frequenzen oberhalb von 16 Hz werden also immer schlechter übertragen.
Das gilt auch für Störungen, die durch das 50Hz Stromnetz hervorgerufen werden.
Was bewirken die 10µF in den Eingangsleitungen? Hier werden niedrige Frequenzen unterdrückt, es
entsteht ein Hochpass. Die Zeitkonstante ist
R*C=10kOhm*10µF=0,1s,
also
Grenzfrequenz f=1/(2*pi*0,1sec)= 1,6Hz.
Frequenzen oberhalb von 1,6Hz werden
also gut verstärkt, Frequenzen unterhalb
immer schlechter.
Ist das eigentlich sinnvoll, wenn
Herzschlagfrequenz etwa 1 Hz ist?
die
Bei einer Spannungsverstärkung von etwa
100 sollten also jetzt Ausgangsspannungen
im Voltbereich entstehen.
2.4 Spannungsverstärker mit OP
Falls aber die Ausgangsspannung immer
noch nicht groß genug ist, bauen wir noch
einen weiteren OP-Verstärker ein.
Es ist ein einfacher nichtinvertierender Spannungsverstärker, dessen Vestärkung sich mit einem
Potentiometer einstellen lässt.
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Überlegen Sie sich zuerst, wie die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung abhängt, wobei
kein Kondensator C1 eingebaut ist.
Überlegen Sie dann, welchen Einfluss C1 hat, wenn die Eingangsspannung eine hohe bzw. niedrige
Frequenz hat.
3 Versuche
3.1 Aufbau und Test des Differenzverstärkers mit Transistoren
Bauen Sie den Differenzverstärker auf.
Legen Sie die Versorgungsspannung an.
Testen Sie die Schaltung: Legen Sie mit
dem
Funktionsgenerator
eine
Sinusspannung mit einer Frequenz f von
einigen Hz und einer Amplitude von
einigen mV oder einigen 10mV an den
Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie
auf Masse.
Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die
Eingangsspannung
und
die
Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2.
Wie
verhalten
sich
Ausgangsspannungen?
die
beiden
Was ändert sich, wenn das Signal an in2
gelegt wird und in1 auf Masse liegt?
Wie groß ist die Verstärkung?
Ändert sich die Verstärkung, wenn f
geändert wird?
Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f.
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3.2 Aufbau des Differenzverstärkers mit OP
Bauen Sie jetzt neben die erste Stufe den Differenzverstärker mit OP auf. Dabei muss später out1 der
ersten Stufe mit in1 der zweiten Stufe verbunden werden, entsprechend out 2 mit in2. Jetzt wird aber
diese 2. Stufe erst einmal separat getestet.
Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und
einer Amplitude von einigen mV oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf
Masse.
Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die
Eingangsspannung
und
die
Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2.
Wie
verhalten
sich
Ausgangsspannungen?
die
beiden
Was ändert sich, wenn das Signal an in2
gelegt wird und in1 auf Masse liegt?
Wie groß ist die Verstärkung?
Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert
wird?
Messen Sie in einer kurzen Messreihe die
Verstärkung als Funktion von f.
Jetzt verbinden Sie die erste und die zweite Stufe und testen die gesamte Schaltung noch einmal.
3.3 Aufbau des Spannungsverstärkers mit OP
Bauen Sie rechts neben die bisherige Schaltung die letzte Stufe. Stellen Sie das Potentiometer auf
einen mittleren Wert. Verbinden Sie den Ausgang out der 2. Stufe mit dem Eingang in der 3 Stufe.
Test Sie jetzt noch einmal kurz die gesamte Schaltung.
3.4 Aufnahme der EKG-Signale
Jetzt wird der Funktionsgenerator nicht mehr gebraucht. Nehmen Sie ihn aus dem Rahmen heraus.
Schieben Sie jetzt das Netzgerät im Rahmen ganz nach links, die Schaltbretter ganz nach rechts.
Verbinden Sie Netzgerät und Schaltung über drei Kabel.
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Der Grund ist: Das Netzgerät, vermutlich vor allem der Transformator, erzeugt relativ starke Störungen
in der Elektronik. Diese werden vermindert, wenn man den Abstand zwischen Netzgerät und Schaltung
erhöht.
Jede Person im Praktikum erhält jetzt einen eigenen Satz Elektroden.
Kleben Sie sich die Elektroden an:
Rote Elektrode: rechtes Handgelenk
Gelbe Elektrode: linkes Handgelenk
Schwarze Elektrode: linker Fuss
Verbinden Sie die schwarze Elektrode mit der Masseleitung ihrer Schaltung, die rote mit dem Eingang
in1 der 1. Stufe, die gelbe mit Eingang in2 der 1. Stufe.
Schalten Sie den Verstärker ein. Messen Sie die Ausgangsspannung der 1. Stufe, z.B. an out1 mit
dem Oszilloskop. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass sie Signale mit Sekundenabständen und
etwa 10 mV Pulshöhe sehen können.
Wenn die Elektroden frisch sind und sie sich wenig bewegen, sollten auf dem Oszilloskop in einem
relativ stark verrauschten Signal kleine Pulse zu sehen sein.
Jetzt messen Sie die Ausgangsspannung nach der 2. Stufe. Hier sollten die Signale wesentlich besser
sichtbar sein.
Messen Sie die Signale nach der 3 Stufe.
Protokollieren Sie, was Sie auf dem Oszilloskop sehen. Entweder abzeichnen oder fotografieren und
später ins Protokollbuch einkleben.
Wie hoch sind nach den einzelnen Stufen jeweils die Signale und das Rauschen?
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