DE3143425C2

DE3143425C2 - Verfahren und Gerät zur Darstellung von Signalkurven auf einem Bildschirm oder einem Registrierer

Info

Publication number: DE3143425C2
Application number: DE3143425A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Ing.(grad.) 8521 Möhrendorf Meyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE3143425A1

Abstract

Bei bestimmten Schreibverfahren sollen Signalkurven zeitlich abgetastet, digitalisiert und in Speichern zwischengespeichert werden. Es besteht das Problem nach Rückwandlung der Digitalwerte eine wertgenaue Analogkurve zu regenerieren. Üblicherweise werden die rückgewandelten Abtastwerte durch Filterung gemittelt, so daß für eine hinreichend wertgenaue Darstellung eine hohe Abtastfrequenz notwendig wäre. Erfindungsgemäß werden die digitalisierten Signalwerte in ein solches quasianaloges Signal rückgewandelt, das den gespeicherten Abtastwert für jeden Abtastzeitpunkt wertgenau repräsentiert und die Zwischenbereiche zwischen den Abtastwerten darstellt. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dem Speicher (2, 22) eine Einheit (3-7, 23-27) zur Bildung eines überhöhten Differenzwertes zugeordnet, wobei ein anschließendes Filter dafür sorgt, daß die gespeicherten Digitalwerte wertgenau durchgefahren werden.

Description

R. C-

In

K-I

gegeben ist. wobei Tdas vorgegebene Abtastintervall und K den gewählten Wichtungsfaktor bedeuten, die digital gespeicherten Abtastwerte in der erzeugten Analogkurve wertgenau durchfahren.

Bei der Erfindung liegt aiso der Regenerierung der Signalkurve ein Rechenvorgang zugrunde, der die Verwendung eines einfachen./?C-Tiefpasses als Filter ermöglicht Dabei wird durch den Rechen Vorgang die Differenz aufeinander folgender Abtastwerte nach einer solchen Vorschrift erhöht, daß entsprechend der für einen Tiefpaß gültigen Beziehung die regenerierte Analogkurve jeweils den Bereich zwischen zwei Abtastwerten darstellt. Der notwendige Rechenvorgang kann entweder analog oder auch digital ausgeführt to werden.

Die Erfindung kann zur Darstellung von beliebigen Signalkurvcn auf einem Bildschirm, wie zum Beispiel . einem Speicheroszilloskop, oder auf einem Registrierer verwendet werden. Es kann beispielsweise bei der Fernsehbilddarstellung zu jedem Zeitpunkt ein Vergleich der quasianalogen Kurven mit einem Referenzsignal erfolgen. Speziell dazu wird die quasianaloge Kurve bei jeder Fernsehzeile ausgelesen und mit einem Sägezahnsignal verglichen, welches der Vertikal-Ablenkung, Nullage uijd Verstärkung entspricht. Das Vergleichsergebnis veranlaßt im geeigneten Zei';>unkt die Helltastung des Bildschirms. Insbesondere ist die Erfindung vorteilhaft bei der Darstellung von EKGr Kurven . verwendbar, sofern die Meßkurven digital zwischengespeichert werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigt

F i g. 1 ein die Erfindung erläuterndes Diagramm.

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Darstellung der digital zwischengespeicherten Werte auf einem Fernsehbildschirm, und J5

Fig.3 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Darstellung der digital zwischengespeicherten Werte auf einem Registrieren

Dabei erfolgt die Berechnung zur Regenerierung der Abtastwerte ^:m ersten Alisführungsbeispiel analog und im zweiten Ausführungsbeispiel digital. Die zugehörigen Einheiten sind jeweils blockschaltmäßig dargestellt.

In der Fig. I kennzeichnet die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Signalamplituden. Es bedeuten Tdas Abtastintervall und U_n die Amplitude eines Abtastwcr- « tes mit la-ufendem Index η: Κ kinnzeichnet einen Wichtungsfaktor, der beispielsweise K = 2 gewählt ist. In der Praxis wird man allerdings von höheren Wichtungsfaktoren ausgehen.

Es ist ersichtlich, daß der darzustellende Abtastwert *>" zunächst nach vorgegebener Vorschrift erhöht wird, wobei dürrh Differenzbildung und anschließender Filterung die Regenerierung des Abtastwertes wertgenau realisiert ist. Der Bereich zwischen den Abtastwerten wird durch eine Exponentialkurve dargestellt.

Zur Überhöhung der Abtastwerte wird also bei jeder Abtastung der Wert

60

K(U₁₁-U,,-,)+ U_n.-,

gebildet, was sofort bei Vorliegen eines jeden n-ten Abtastwertes erfolgen kann. Die Dimensionierung des nach Differenzbildung zur FiIt .-rung verwendeten ftC-Glicdcs kann untc'· Einbeziehung der für einen Tiefpaß gültigen Beziehung abgeleitet werden. Es gilt:

mitO</<7\

Für jeden Abtastzeitpunkt t = T ergibt sich damit als dargestellte Signalamplitude

U= K(U_n- i^,)(l-e

wobei sich für das ÄC-Glied ergibt: T

RC =

In

K- 1

Je großer also der Wichtungsfaktor K gewählt werden kann, desto geringer ist die Linearitätsabweichung zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastwerten.

In der Fig.2 bedeuten 1 ein /^D-Wandler zur Digitalisierung des vorliegenden Analog-Signals, dem ein Digital-Speicher 2 nachgeschaltet ist. Hinter dem Speicher sind in parallelen Zweigen der Signallei ung in dem einen Zweig ein D/A-Wandler 3 und in dem anderen Zweig ein Verzögerungsglied (Latch) 4 mit anschließendem D/A-Wandler 5 geschaltet. Alle Einheiten werden von einer Steuereinheit 6 entsprechend dem Abtastintervall Tgetaktei.

Den parallel geschalteten D/A-Wandlem 3 und 5 ist ein Widerslandsnetzwerk 7 mit RC-GWed nachgeschaltet, das im einzelnen aus den Widerständen 8 und 9 und einer Kapazität 10 besteht. Das /?C-Glied ist entsprechend den oben erläuterten Gleichungen (1) bis (3) dimensioniert.

Zur Bilddarstellung ist ein Fernsehmonitor 11 vorhanden, der von einem Fernsehtaktgeber 12 gesteuert ist und dem weitere Steuereinheiten zugeordnet sind. Im einzelnen wird das von der D/A-Wiandlern ausgehende Differenzsignal auf einen Fensterdiskriminator 13 gegeben und gelangt von dort über eine Einheit 14 zur Steuerung der Strichstärke als Videosignal auf den Monitor 11. Die Steuereinheit 6 ist ebenfalls vom Fernsehtaktgeber 12 angesteuert, welcher den Fensterdiskriminator 13 taktet.

Der A/D-Wandler 1 liefert ungefähr alle 4 ms einen mit 8 bit verschlüsselten Abtastwert, der in dem entsprechend ausgelegten Speicher 2 mit einer Kapazität von 1024x8 bit abgelegt wird. Zum Zwecke der Videodarstellung erfolgt das Einschreiben in den Speicher während e^nes Zeilenrücklaufes. Die Steuereinheit 6 veranlaßt, daß der gesamte Speicher 2 prc Fernsehzeile ausgelesen wird. Die ausgelesenenen W?rte v/erden dem D/A-Wandler 3 unmittelbar und dem D/A-Wandler 5 verzögert zugeführt. Dadurch wird im D/A-Wandler 3 jeweils der n-te und im DiA-Wandler 5 jeweils der (n— l)te Wert in das analoge Signal rückgewandelt. Durch Verwendung eines inversen Stromausganges beim D/A-Wandler 5 ist eine Vorzeichenumkehr des (n-l)ten Wertes realisiert. Es folgt anschlieBnnä am Widerstandsnetzwerk eine Differenzbildung. Die Überhöhung der Wichtung des (n-~ l)ten Wertes ist dadurch erreicht, daß für den D/A-Wandler 5 nur ein Teil des durch die Widerstünde 8 und 9 gebildeten Arbcilswir'ersiandes wirksam wird.

Die Schaltung nach F i g. 2 hat den Vorteil, daß sie mit den 8 bit D/A-Wancllcrn auskommt, ohne duIi durch einen Rccheiivorgiing die 8 bit-Gcmuiigkcit rcdu/iert

wird. Die quasianaloge Spannung wird nach Differenzbildung und Filierung im Fenslcrdiskrimimuor 13 zugeführt. Der Fensterdiskriminalor 13 bcsiehl beispielsweise aus zwei schnellen Komparatotcn. welche die quasiunaloge Spannung mil zwei um Fenslerbreite auseinanderliegenden Referenzspannungen vergleichen.

Die Fensterbreite und die Laufzeit eines nachgeschalteten Monoflops bestimmen die Strichstärke der dargestellten Kurve. Das vom Fensterdiskriminator 13 und/oder Einheit 14 für die Strichstarke abgegebene Signal wird als Videosignal verwendet. Die weiteren Signale, wie Vertikal- und Horizontalsynchronisation werden vom Fernsehtaktgeber 12 geliefert.

Speziell für die Analogkurvendarstellung im Fernsehbild läßt sich also die quasianaloge Kurve bei jeder Fernsehzeile auslesen und mit einem Sägezahn als Referenzsignal vergleichen, welches der Vertikal Ablenkung. Nullage und Verstärkung entspricht. Das Vergleichsergebnis veranlaßt im richtigen Augenblick die Helltastungam Bildschirm.

Inder Fig. 3 bedeuten 21 ein A/D-Wandler dem über eine digitale Recheneinheit 23 ein digitaler Speicher 22 mit anschließendem D/A-Wandler 25 nachgeschaltet ist. Der Recheneinheit 23 werden die Signale U₁, bzw. U_n. \ in zwei parallelen Leitungen zugeführt, von denen in einer ein Verzögerungsglied (Laich) 24 eingeführt ist. Eine Steuereinheit 26 liefert wiederum die entsprechenden Taktsignale.

Dem D/A-Wandler 25 ist ein «C-Glied 27, bestehend aus Widerstand 28 und Kapazität 29 nachgeschaltet. Das gefilterte Signal wird auf einen Registrierer 31 gegeben.

In Fig. 3 wird nach der A/D-Wandlung in der digitalen Recheneinheit die Differenzbildung und Wichtung des Signales durchgeführt. Dafür erfolgt in der Recheneinheit 23 ein Übergang auf den notwendigen größeren Zahlenbereich. Um eine Auflösung von 8 bit am /?C-Glied zu erreichen, muß während der digitalen Verarbeitung der Zahlenbereich auf das (2 K— l)fache erweitert werden. Beispielsweise würde sich bei ursprünglich 8 bit und dem Faktor K = 3 entsprechend 256χ(6—1)= 1280 eine Erweiterung auf 11 bit ergeben.

In der vorangehenden Beschreibung wurde das erste Ausführungsbeispiel zur Kurvendarstellung auf einem Fernsehbildschirm speziell mit analoger Signalberechnung und das zweite Ausführungsbeispiel zur Kurvendarstellung auf einem Registrierer speziell mit digitaler Berechnung konzipiert. Es können auch jeweils andere Kombinationen realisiert werden.

Speziell bei Fernsehbilddarstellung und digitaler Berechnung wurden die von einer Recheneinheit gelieferten Ergebnisse wiederum während der Zeilenrückläufe im Speicher abgelegt. Hier kann wieder die

ίο Steuerung veranlassen, daß der gesamte Speicherinhalt pro Fernsehzeile ausgelesen und in einen wertproportionalen Strom umgesetzt wird, so daß am RC-GWcö die entsprechende Analogspannung abgenommen werden kann. Diese quasianalogc Spannung wird dann wieder

\i von einem Fernschdiskriminalor bewcrici, dessen Signal als Videosignal wcitcrverarbeiiel wird.

Über die beschriebenen Ausführiingsbcispiclc hinaus kann das beschriebene Verfahren bei jeder Digital/Analog- Wandlung angewendet werden, bei der der Absland zwischen den digitalen Abtastpunkten bekannt ist. Auch bei variierenden Abtastfrequenzen bleibt das Verfahren durch laufende Anpassung des /?C-Gliedes anwendbar.

Die Erfindung läßt sich erfolgreich zur Darstellung

von digital zwischengespeicherlen EKG-Kurven verwenden: Für die Auswertung des Elektrokardiogramms kommt es insbesondere auf eine exakte Darstellung der QR5>-Komplexe und beispielsweise auf die Lage und HöirO der R-Zacke an. Bei Mittelung über die rückgewandelten Abtastwerte konnten aber bisher gerade an den signifikanten Kurventeilen Abweichungen vom Ursprungssignal auftreten, die nicht ohne weiteres erkennbar waren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und entsprechend ausgebildetem Gerät läßt sich nun bei vertretbarem Aufwand das digital zwischengespeicherte EKG derart darstellen, daß beim Analogkurvenschrieb die ursprünglichen Abtastpunkte ^isiier exakt wert^ensu vorliegen. Dsbe! sind cü** Lincaritätsabweichungen zwischen den reproduzierten Abt.jstpunkten, durch die insbesondere bei großen Amplitudenunterschieden zwischen einzelnen Abtastpunkten geringfügige Auswölbungen gebildet werden können, nicht von entscheidender Bedeutung. Experimentelle Erprobungen der Erfindung haben ergeben, daß mit geringem Aufwand erreicht werden kann, daß praktisch kein Unterschied zwischen ursprünglicher und regenerierter Analogkurve feststellbai ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Darstellung von Signalkurven auf einem Bildschirm oder einem Registrierer, wobei die Signalkurven zeitlich abgetastet, digitalisiert, in Speichern zwischengespeichert und anschließend wieder analog gewandelt sowie angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die digital gespeicherten Abtastwerte bei Rückwandlung durch einen kombinierten, aufeinander abgestimmten Rechen- und Filtervorgang als solches analoges Signal erzeugt werden, das den abgespeicherten Abtastwert, für jeden Abtastzeitpunkt wertgenau repräsentiert und den Zwischenbereich zwischen t* den Abtastwerten durch eine Exponentialfunktion darstellt, wozu beim Rechenvorgang eine Differenzbildung aufeinanderfolgender Abtastwerte mit Überhöhung der Signale entsprechend einem vorwähjh^ren Wichtungsfaktor (K) durchgeführt wird, wtit'he Überhöhung durch den Filtervorgang ausgeglichen wird.

2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I mit einem A/D-Wandler, einem Digitalspeicherund wenigstens einem D/A-Wandler sowie einem Monitor oder einem Registrierer, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicher (2, 22) eine Recheneinheit (3 bis 7, 23 bis 27) zur Bildung eines überhöhten Differenzwertes aufeinanderfolgender Abtastwerte zugeordnet ist und daß mittels eines tfC-Gliedes (8, 9, 10; 28, 29) als Filter, dessen Dimensionierung durch die Beziehung

RC = -

(3)

In-

35

K- 1

gegeben ist, wobei Tdas vorgegebene Abtasiinicrvall und K den gewählten Wichtungsfaktor bedeuten, die digital gespeicherten Abtastwerte in der erzeugten Analogkurve wertgenau durchfahren werden.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (7) zur Differenzbildung analog arbeitet.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zweier parallelgeschalteter D/A-Wandler (35) mit nachgeschaltetem Widerstandsnetzwerk (7), von denen einem ein Verzögerungsglied (4) vorgeschaltet ist, die Differenzbildung aufgeführt wird.

5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Differenzbildung ein digitales Rechenwerk (23) beinhaltet.

6. Gerät nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Taktsteuerung eine zentrale Steuereinheit (6, 26) vorhanden ist.

7. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß speziell für die Fernsehbilddarstellung dem Monitor (11) ein Fernsehtaktgeber (12) zugeordnet ist.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (6) weitere Einheiten (13, 14) zur Bestimmung der Strichstärke der darzustellenden Signale zugeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Darstellung von Signalkurven auf einem^; Bildschirm oder einem Registrierer, wobei die Signalkurven zeitlich abgetastet, digitalisiert, in Speichern zwischengespeichert und anschließend wieder analog gewandelt sowie angezeigt werden, sowie auf ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein solches Gerät weist einen A/D-Wandler einen Digitalspeicher, wenigstens einen D/A-Wandler sowie einen" Monitor oder einen Registrierer auf und kann beispielsweise als sogenanntes Speicheroszilloskop realisiert werden.

Bei Registrierverfahren, bei denen die Meßsignale digital zwischengespeichert werden, sollen die zur Darstellung kommenden Kurven möglichst wertgeniu sein. Dabei ist allerdings bisher systembedingt in Kauf genommen worden, daß wegen der endlichen Auflösung beim Digitalisieren die Darstellung von geschlossenen Kurvenzügen begrenzt ist, was sich insbesondere bei schnellen Amplitudenänderungen der Signalkurven störend bemerkbar macht. Geht man von den Abtastwerten aus, so wird nach RGckwandlung in Analogwerte üblicherweise zwischen diesen Analogwerten interpoliert und so eine gemittelte Kurve rückgewonnen werden. Das heißt aber, daß die an der primär anfallenden Analogkurve abgetasteten Werte nicht exakt reproduziert sind. Speziell für ein digitales Speicheroszillosk'jp wird dies im einzelnen im Zeitschriftenartikel »Elektroniker«, Ch Nr. 16/1980 D Nr. 12 (198O)S EL 16-EL25, beschrieben, wobei unter anderem aufgezeigt wird, daß speziell für die Darstellung periodischer Kurven bei Anwendung eines speziellen Interpolationsverfahrens eine vergleichsweise geringe Anzahl von Abtastwerten ausreichen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, ein Verfahren der eingangs genrnnten Art anzugeben, mit dem eine genaue Darstellung eines geschlossenenen Kurvenzuges möglich ist. Das zugehörige Gerät zur Durchführung des Verfahrens soll möglichst einfach aufgebaut sein.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die digital gespeicherten Abtas'wcrtc bei Rückwa.ndlung durch einen kombinierten, aufeinander abgestimmten Rechen- und Filtervorgang als solches analoges Signal erzeugt werden, das den abgespeicherten Abtastwert für jeden Abtastzeitpunkt wertgenau repräsentiert und den Zwischenbereich zwischen den Abtastwerten durch eine Exponentialfunktion darstellt, wozu beim Rechenvorgang eine Differenzbildung aufeinanderfolgender Abtastwerte mit Überhöhung der Signale entsprechend einem vorwählbaren Wichtungsfaktor durchgeführt wird, welche Überhöhung durch den Filtervorgang ausgeglichen wird.

Bei einem Gerät zjr Durchführung des Verfahrens sind dem Speicher eine Recheneinheit zur Bildung eines überhöhten Differenzwertes aufeinanderfolgender Abtastwerte zugeordnet und werden mittels eines RC-Gliedes als Filter, dessen Dimensionierung durch die Beziehung