Generador de ondas digital

k 19 OFICINA ESPA˜ NOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPA˜ NA k 11 N´umero de publicaci´on: 2 077 525 k 21 N´umero de solicitud: 9302529 k 51 Int. Cl.6:H03B 19/00 H03B 28/00 A61N 1/18 k 12 PATENTEDEINVENCION B1 k 22 Fecha de presentaci´on: 02.12.93 k 73 Titular/es: Universidad de Sevilla, Vicerrectorado de Investigaci´on y Transferencia Tecnol´ogica C/ Valpara´ıso, 5 - 2a ¯planta 41013 Sevilla, ES k 43 Fecha de publicaci´on de la solicitud: 16.11.95 Fecha de concesi´on: 01.12.97 k 72 Inventor/es: Silva Abad, Jos´eMar´ıa; Camacho Fumanal, Daniel; Pastor Loro, Angel Manuel; Escudero Gonz´alez, Miguel y Delgado Garc´ıa, Jos´eMar´ıa k 45 Fecha de anuncio de la concesi´on: 16.01.98 k 45 Fecha de publicaci´on del folleto de patente: 16.01.98 k 74 Agente: No consta k 54 T´ıtulo: Generador de ondas digital. k 57 Resumen: Generador de ondas digital capaz de producir dos funciones simult´aneas en el tiempo con posibilidad de desfase entre ambas, constituido por una unidad de control, dos generadores de onda, dos generadores de frecuencia y dos m´odulos de salida, estando los generadores de onda gobernados por una misma frecuencia patr´on, perfectamente sincronizados en todo momento pero independientes para programar su frecuencia, forma de onda, atenuaci´on y balance, caracterizado por: a) Desfase inicial entre ambos generadores programable entre 0 (sincron´ıa) y un periodo completo, con una precisi´on de 1/10.000 de per´ıodo; b) Funci´on de salida seleccionable para cada canal entre: sinusoide, cuadrada, tri´angulo y rampa truncada; c) Posibilidad de atenuar la amplitud de la funci´on de salida; d) Posibilidad de generar las funciones de salida ciclo a ciclo o ininterrumpidamente; con aplicaci´on en Fisiolog´ıa y Medicina, y en aquellos campos industriales que requieran la generaci´on de dos funciones con un grado de sincron´ıa estable. Aviso: Se puede realizar consulta prevista por el art◦37.3.8 LP. Ventadefasc´ıculos: Oficina Espa˜nola de Patentes y Marcas. C/Panam´a, 1 – 28036 Madrid ES 2 077 525 B1 1ES 2 077 525 B1 2 DESCRIPCION Generador de ondas digital. Objeto de la invenci´on La presente invenci´on se refiere a un dispositivo que permite la generaci´on de dos funciones con un grado de sincron´ıa estable mediante el uso de un ´unico oscilador. De esta forma se resuelve el problema de sincronizar dos se˜nales que a tiempo largo tienden a desfasarse debido a ligeros errores que se cometen cuando se sintoniza una frecuencia. El dispositivo es capaz de estimular circuitos y aparatos mediante funciones de uso cotidiano en Biomedicina y Eletr´onica. Este dispositivo est´a constituido por dos generadores digitales gobernados por una misma frecuencia patr´on, por lo que ambos generadores est´an perfectamente sincronizados en todo momento. Los generadores son totalmente independientes a la hora de programar su frecuencia, forma de onda, atenuaci´on y balance. La otra particularidad del mismo es la de poder progamar un desfase inicial entre ambos generadores, que se conservar´a estable siempre que ambos tengan programada la misma frecuencia. Est´a especialmente dise˜nado para el registro y monitorizaci´on de datos electrofisiol´ogicos (biopotenciales) en forma de se˜nales continuas, o en forma de se˜nales discretas (potenciales de acci´on neuronales) mediante la estimulaci´on de otros dispositivos o estructuras anat´omicas que est´en encargadas de la generaci´on de dichas se˜nales. Es de aplicaci´on en la investigaci´on de movimientosocularesyenlapr´actica otorrinolaringol´ogica porque permite controlar dispositivos encargados de la estimulaci´on visual y vestibular del individuo. Su aplicaci´on puede tambi´en extenderse a otros campos de investigaci´on b´asica e industrial que necesiten el control o estimulaci´on de dos dispositivos con un requerimiento de sincron´ıa elevado. Estado de la t´ecnica Los generadores de funciones se basan en un oscilador que controla el periodo de la se˜nal producida. En determinadas aplicaciones de Biomedicina y Electr´onica es necesario aplicar dos se˜nales con un desfase preciso, por lo que se debe recurrir a dos generadores que se sincronizan entre s´ı. Sin embargo, la precisi´on con la que se sintoniza una frecuencia suele ser de un 0,1 % en aquellos generadores provistos de control digital de la frecuencia, mientras que la precisi´on de los generadores provistos de vernier es s´olo de un 3 a un 5 %. Estos peque˜nos errores de precisi´on ocasionan variaciones en la sincron´ıa entre las dos se˜nales que obligan al ajuste continuado de la frecuencia de forma emp´ırica. Una manera de resolver el desfase progresivo entre dos se˜nales es la de utilizar dos generadores digitales gobernados por una misma frecuencia patr´on, por lo que ambos generadores est´an perfectamente sincronizados en todo momento. Descripci´on detallada y modo de realizaci´on Como ejemplo pr´actico de realizaci´on de la invenci´on, que debe entenderse no tiene car´acter limitativo de la misma, se describe un posible dise˜no general del dispositivo para generar dos 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 funciones cuya relaci´on de sincron´ıa puede ser seleccionada. El desfase es ajustable entre cero (sincron´ıa) y un per´ıodo completo con una precisi´on de 1/10.000 de per´ıodo. La funci´on de salida puede ser seleccionada de forma independiente para cada canal entre las siguientes: sinusoide, cuadrada, tri´angulo, rampa y rampa truncada. La amplitud de la funci´on de salida puede atenuarse entre 0 y 50 decibelios a la que se puede a˜nadir una componente de cont´ınua entre 0 y 5 voltios. Las funciones pueden generarse ciclo a ciclo o de forma ininterrumpida (figura 1). La presente invenci´on posee una unidad de control (figura 2), dos m´odulos generadores de frecuencia (figuras 3 y 6), dos m´odulos generadores de ondas (figuras 4 y 7) y dos m´odulos de salida (figuras 5 y 8). La unidad de control est´aprevistade4ac- tuadores. El denominado “START” efect´ua el inicio del primer generador y seg´un sea el desfase el inicio del segundo generador. La funci´on “STOP” efect´ua la parada de ambos generadores, cayendo el voltaje de salida a 0 voltios. El actuador “HOLD/CONT” permite la parada de ambos generadores en el valor actual que permanece constante hasta una nueva pulsaci´on. Finalmente el actuador “1/N” permite la producci´on de un solo periodo o la generaci´on indefinida (figura 2). Para seleccionar los par´ametros de las funciones cada generador dispone de los siguientes controles: 1) Un preselector de 3 d´ıgitos para el control de la frecuencia desde 0 a 999 mHz (figuras 3 y 6). 2) Un conmutador que selecciona el factor de multiplicaci´on de la frecuencia, cuyos valores son 0,1, 1 y 10. De esta manera se pueden obtener valores de frecuencia de 0.099 Hz a 9.99 Hz con una definici´on de una cent´esima de ciclo en el peor de los casos (figuras 3 y 6). 3) Un conmutador para seleccionar la forma de la onda con cinco pociones: 3a) Onda senoidal, sim´etrica respeto a 0 voltios. 3b) Onda cuadrada con un semiperiodo positivo y otro negativo. 3c) Onda triangular con un semiperiodo positivo y otro negativo. 3d) Onda triangular truncada, de tal forma que quedan rampas positivas y rampas negativas con periodos en los que el valor de salida es constante. La pendiente de la rampa se puede ajustar mediante el preselector de dos d´ıgitos “RAMP”. Suvalorvade0a99grados. Deestaformacon un valor de 45 grados se obtendr´a un trapecio con una duraci´on de rampa igual a la del periodo de valor constante. Del mismo modo un valor de 90 grados producir´ıa una onda triangular y un valor de 0 grados producir´ıa una onda cuadrada (figuras 4 y 7). 4) Cada canal produce una se˜nal cuya amplitud m´axima es de ±10 voltios. La amplitud de la se˜nal puede atenuarse en pasos de 10 decibelios desde 0 a 50 decibelios o de forma variable desde un paso al siguiente (figuras 4 y 8). 5) La se˜nal de salida puede sumarse con un componente de continua que va de 0 a 5 voltios. 2 3ES 2 077 525 B1 4 6) El segundo generador va provisto de un ajustador de fase, cuyo rango var´ıa desde 0 hasta 999,9 con saltos de una d´ecima de grado. Ejemplodeunmododeoperaci´on con el sistema explicado Como caso pr´actico de la utilidad de la invenci´on se describe la aplicaci´on siguiente del generador de ondas digital. 1) Conectar el dispositvo tras lo que se encender´a el indicador luminoso de activado. 2) Seleccionar la frecuencia y forma de onda de las se˜nales a generar. 3) Introducir el valor de desfase entre los dos generadores de funciones. 4) Seleccionar un valor de atenuaci´on de las se˜nales de salida de los dos canales. 5) Monitorizar las funciones de salida en un osciloscopio. 6) Seleccionar un componente de continua aa˜nadir con la se˜nal hasta que la funci´on sea sim´etrica respecto del voltaje cero. En la figura 9 se muestra una aplicaci´on de la invenci´on a un estudio neurofisiol´ogico. Se ilustra un fragmento de un registro de movimientos oculares (figura 9; PI, PD). En el registro, de aproximadamente 2 ciclos con un periodo de 8 s puede observarse la respuesta motora tras la aplicaci´on de una rotaci´on sinusoidal del animal completo (C’) y de una pantalla iluminada que rodea al individuo (PL’). La rotaci´on del individuo y de la pantalla se efectu´o mediante la aplicaci´on de dos se˜nales sinusoidales desfasadas 180 grados que se alimentaron a estimuladores servocontrolados que produjeron la rotaci´on de dos dispositivos mec´anicos. La posici´on del ojo en el espacio se monitoriz´omedianteunm´etodo electrooculogr´afico. La respuesta del individuo a los est´ımulos sinusoidales puede apreciarse mejor si se deriva la posici´on de los ojos para obtener la velocidad (P’). Se observa que el movimiento de la pantalla (PL’) en direcci´on opuesta a la del animal (C’) produce un movimiento de ambos ojos (P) cuyo perfil se asemeja bastante a la del est´ımulo y que posee una direcci´on opuesta (veanse calibraciones de direcci´on: i=izquierda; d=derecha). Descripci´on de los dibujos Figura 1: Diagrama general de bloque en el que se ilustran los m´odulos y controles que son comunes o independientes para cada uno de los dos generadores de onda. Cada generador posee un control frecuencia, tipo de se˜nal, atenuacion y balance. La unidad de control, com´un a ambos generadores, dispone de selecci´on del desfase entre ambas se˜nales. Figura 2: Esquema en el que se ilustra el m´odulo de control com´un a ambos generadores de ondas. El arranque del primer generador se selecciona manualmente mediante el pulsador “START” o mediante se˜nal de sincron´ıa externa. La preselecci´on del retraso 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 de fase entre ambos generadores es digital y se realiza mediante los contadores IC1- 4. La parada definitiva y puesta a cero de las se˜nales se realiza mediante el pulsador “STOP” mientras que la parada indefinida que mantiene el valor de la se˜nalenelmomentodeparadaserealizamedianteelpul- sador “HOLD”. Figura 3: Esquema del generador de frecuencias 1. La frecuencia patr´on se controla mediante oscilador a cristal (Y1) que es dividida por una raz´on fija (IC7-8) y dividida a su vez mediante un valor preseleccionado por el usuario (IC1-3). Figura 4: Esquema del generador de ondas 1. Las 4 formas de onda posibles est´an digitalizadas en las memorias EPROM (IC2- 3) que en su conjunto presentan una resoluci´on de 16 bits. IC4-IC6 son los corversores digital-anal´ogico y amplificador operacional de adaptaci´on. Figura 5: Esquema del m´odulodesalida1,en el que se selecciona la forma de onda, su amplitud mediante atenuaci´on de la se˜nal y balance respecto a cero. Mediante el amplificador U1B-C se selecciona la pendiente de la rampa en el caso de funci´on trapezoidal. El temporizador IC3 genera una se˜nal de sincron´ıa externa. Figura 6: Igual que la figura 3 pero para el generador de frecuencias 2. Figura 7: Igual que la figura 4 pero para el generador de ondas 2. Figura 8: Igual que la figura 5 pero para el m´odulodesalida2. Figura 9: Se ilustra un ejemplo pr´actico de un modo de operaci´on del generador de ondas digital aplicado al estudio de la fisiolog´ıa de los movimientos oculares en la carpa dorada (Carassius auratus). Mediante el generador de funciones se controlan con una funci´on seno de periodo 8 s, dos servosistemas. Uno mueve una pantalla con forma de planetario donde se proyectan puntos de luz y cuya velocidad se recoge en el trazo ˙ PL. El segundo mueve un tanque que contiene a la carpa ( ˙ C). En respuesta al movimiento del campo visual y del cuerpo, se genera un movimiento reflejo denominado nistagmo que se expresa en forma de un patr´on fijo de movimiento oculares. La posici´on de ambos ojos (PD, PI) se registra mediante la t´ecnica del seguidor magn´etico de la posici´on ocular. Se observa que la velocidad ocular ( ˙ P) obtenida como la derivada de primer orden de la posici´on ocular posee una envolvente queseasemejaalosest´ımulos. Abreviaturas: i, izquierda; d, derecha. 3 5ES 2 077 525 B1 6 REIVINDICACIONES 1. Generador de ondas digital que permite la introducci´on de un desfase entre dos ondas de frecuencia y amplitud programables, de aplicaci´on en Fisiolog´ıa y otras disciplinas m´edicas, constitu´ıdo por una unidad de control, dos generadores de ondas, dos generadores de frecuencia y dos m´odulos de salida, caracterizado porque: a) el desfase es ajustable entre cero (sincron´ıa) y un per´ıodo completo con una precisi´on de 1/10.000 de per´ıodo; b) la funci´on de salida puede ser seleccionada de forma independiente para cada canal entre las siguientes: sinusoide, cuadrada, tri´angulo, y rampa truncada; c) la amplitud de la funci´on de salida puede atenuarse entre 0 y 50 decibelios a la que se puede a˜nadir una componente de cont´ınua entre 0 y 5 voltios; y d) las funciones 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 pueden generarse ciclo a ciclo o de forma ininterrumpida. 2. Generador de ondas digital seg´un reivindicaci´on 1, en el que la salida es transformada mediante un conversor digital/anal´ogico. 3. Generador de ondas digital seg´un reivindicaciones 1 y 2, en el que la unidad de control efect´ua el inicio del primer generador y seg´un sea el desfase inicia el segundo generador. 4. Generador de ondas digital seg´un reivindicaciones 1 a 3, en el que los m´odulos generadores poseen una resoluci´on de 12 bits. 5. Generador de ondas digital seg´un reivindicaciones 1 a 4, en el que la frecuencia se produce mediante un oscilador de cuarzo y el retraso entre los dos generadores se efect´ua mediante la cuenta de se˜nales de reloj del primer generador. 4 ES 2 077 525 B1 5 ES 2 077 525 B1 6 ES 2 077 525 B1 7 ES 2 077 525 B1 8 ES 2 077 525 B1 9