Messung und Analyse myoelektrischer Signale - Communications ...

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5. Entwicklung und Aufbau eines Mess- und Erfassungssystems 5.2.3. Anti-Alias Tiefpassfilter Die Analog/Digital-Wandlung soll im späteren Signalverlauf Frequenzen bis fmax = 500 Hz erfassen. Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem [40] besagt, dass eine Abtastung des Signals mit einer Abtastfrequenz von fs ≥ 2 · fmax erfolgen muss. Die halbe Abtastfrequenz bezeichnet man als Nyquistfrequenz. Treten im zu digitalisierenden Signal Frequenzkomponenten größer als diese Frequenz auf, kommt es zu so genannten Aliaseffekten. Die oberhalb der Nyquistfrequenz liegenden Signalanteile sind nach der Abtastung nicht mehr von anderen Signalanteilen, die unterhalb der Nyquistfrequenz liegen, unterscheidbar. Nachdem das Signal durch die in den vorhergehenden Abschnitten 5.1 bis 5.2.2 erläuterten Schaltungen verstärkt wurde, muss es aus den genannten Gründen vor der Digitalisierung in einem letzten Schritt tiefpassgefiltert werden. Ein als Anti-Alias-Filter bezeichneter Tiefpass muss Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastfrequenz möglichst stark abschwächen. An dieser Stelle wird eine Filterstufe in Switched Capacitor (SC)-Technik verwendet. Eine ausführliche Einleitung in diese Technik ist in [41] beschrieben. An dieser Stelle kommt ein integrierter SC -Schaltkreis des Herstellers Maxim, der MAX293 [42] (Datenblatt auf der in Anhang A.4 beigefügten CD-ROM enthalten) zum Einsatz. Abbildung 5.7 zeigt seine externe Beschaltung. Es handelt sich bei diesem Bauteil um einen aktiven Tiefpassfilter 8. Ordung. Seine Grenzfrequenz kann mit Hilfe eines externen Taktsignals von 0,1 Hz bis 25 kHz eingestellt werden. Die Dämpfung im Sperrbereich beträgt -80 dB. Das Verhältnis von externem Taktsignal zu Grenzfrequenz beträgt 100/1. Der Schaltkreis arbeitet mit den Betriebsspannungen -5 V und +5 V. Da die Operationsverstärker mit -12 V bis +12 V Betriebspannung arbeiten, dämpft der Spannungsteiler aus R14 und R15 das Signal linear in den Betriebspannungsbereich des Filterschaltkreises ab. In einem nachfolgenden Schritt wird es durch einen weiteren Verstärkerschaltkreis auf das ursprüngliche Niveau, dem optimalen Eingangsspannungsbereich des Analog/Digital- Wandlers, angehoben (siehe Gesamtschaltplan in Abschnitt 5.2.4). Der Timerbaustein LM555N und seine externe Beschaltung liefern ein Taktsignal von 30 kHz. Er wird mit dem Trimmpotentiometer R31 und einem Oszilloskop abgeglichen. Die Grenzfrequenz des Filters beträgt laut Teilerverhältnis 100/1 folglich 300 Hz. Der MAX239 Baustein ist prinzipiell als ein abgetastetes System zu verstehen, der das Signal an seinem Eingang quantisiert, filtert und wieder in ein analoges Signal umwandelt[41]. Folglich benötigt er vor seinem Eingang ebenfalls einen Tiefpassfilter, welcher auftretende Aliaseffekte verhindert. Der passive Tiefpass aus R13 und C12 übernimmt diese Aufgabe. Ein baugleicher Tiefpass aus R10 und C15 glättet das Ausgangssignal und vermeidet eine stufenförmige Ausbildung des Signalverlaufs. 66
5. Entwicklung und Aufbau eines Mess- und Erfassungssystems Abbildung 5.7.: Schaltplan des Anti-Alias-Tiefpassfilters 67
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