Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2013
Иногда мы сталкиваемся с необходимостью извлечь информацию из сильно зашумленных сигналов, например, при биомедицинских измерениях. Мне требовалось сформировать прямоугольные импульсы из сигналов датчика дыхания, сильно различающихся по амплитуде и частоте, и, кроме того, с непостоянным базовым уровнем. Представленный здесь адаптивный «супер-Шмитт» с большим количеством настраиваемых параметров прекрасно выполняет работу по очистке входных сигналов.
Номиналы компонентов в показанной схеме подобраны для диапазона входных сигналов от 50 мВ до 1 В пик-пик с частотой от 0.07 Гц до 2 Гц.
U1 и U2 отслеживают положительные и отрицательные пики входного сигнала, но, в отличие от обычных детекторов, имеют на входе резисторы R1 и R2, обеспечивающие подавление импульсных помех на уровне, зависящем от характеристик сигнала. Этими резисторами совместно с R16 определяется скорость спада выходных напряжений. Зафиксированные детекторами и буферизованные микросхемами U3 и U4 амплитуды импульсов используются для управления шириной петли гистерезиcа оконечного компаратора U6 и формирования опорного уровня его переключения.
Регулировка гистерезиса выполняется операционным трансимпедансным усилителем (ОТУ) U7, в качестве которого здесь использована микросхема LM3080, которую сегодня можно заменить более современным прибором LM13700. Выходной ток усилителя фактически равен произведению дифференциального входного напряжения на однонаправленный ток смещения (вход, обозначенный стрелкой). В этом случае при насыщении входа (что происходит уже при напряжении 0.7 В) ОТУ ведет себя, скорее, как ключ переключения полярности, отображающий ток смещения на выходной ток, – втекающий или вытекающий, – в зависимости от знака разности входных напряжений. Падение напряжения на R13 от выходного тока прибавляется к входному напряжению, или вычитается из него, формируя, таким образом, петлю гистерезиса.
U5 выполняет функцию дифференциального преобразователя ток-напряжение для управления входом смещения ОТУ, внутренне связанным с отрицательной шиной питания.
И, наконец, выходной компаратор U6 сравнивает входной сигнал, увеличенный или уменьшенный на величину гистерезиса, либо с напряжением в середине ФНЧ между пиками сигнала (джампер в положении «A»), либо непосредственно с сигналом, прошедшим через низкочастотный фильтр (джампер в положении «B»). Выбор положения зависит только от характеристик ваших сигналов. В моем случае лучше работал вариант «A».
Подстроечным резистором R4 устанавливается начальная ширина петли гистерезиса и компенсируются любые смещения усилителя. Диод D6 согласует вход смещения U7 с диапазоном выходных напряжений использованных в схеме операционных усилителей. При использовании других операционных усилителей и ОТУ диод может быть исключен из схемы. Предполагается, что источники питания схемы стабильны и не имеют пульсаций.
Проницательный читатель спросит, почему я не сделал очевидного, и использовал ОТУ вместо схемы управляемого напряжением источника тока на U5. Увы, по прошествии 30 лет я и сам не могу ответить на этот вопрос. Возможно, тому были какие-то причины.
Может ли эта схема быть чем-то полезна сегодня? Я буду утверждать, что да, несмотря на то, что со всеми решаемыми ею задачами прекрасно может справиться микроконтроллер. Выбирайте сами.
Ссылки
- Jung, W.G., IC Op-amp Cookbook, section 4.2.4: Bi-directional output VCCS
