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可馴服不規則信號的自我調整施密特觸發器

2013年11月05日  | Michael Dunn

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編者按:本文介紹的是筆者自行設計的別出心裁的電路板,以饗讀者。


在使用生物醫學儀器過程中,我們有時需要在雜亂或不規則的信號中提取有效資訊。例如,我需要“整理”呼吸信號,而規則的呼吸信號可以表現出幅度和頻率的重大變化,以及漂移的基線。本文介紹的是一個自我調整的“超級施密特觸發器”,它有許多可調參數,可以有效地馴服輸入信號。


觸發器設計值所對應的預期輸入範圍為50mV-1V P-P和0.07Hz-2Hz。


U1和U2會檢測輸入端的正、負峰值,但不同於一般的檢測器,它們還包括R1和R2,以便按照需求提供阻尼(毛刺抑制(spike rejection)),視信號特徵而定。這些電路結構與R16聯用可以控制峰值電壓的衰減速度。這些檢測器(由U3和U4進行緩衝)所跟蹤的P-P振幅既可以用來調節最終比較器U6的滯環(hysteresis band),還可提供零交叉參考(zero-crossing reference)。


圖1圖中電路是一個自我調整的“超級施密特觸發器”,它有許多可調參數,可以有效地馴服輸入信號。
圖1圖中電路是一個自我調整的“超級施密特觸發器”,它有許多可調參數,可以有效地馴服輸入信號。



滯後調整是由跨導運算放大器(OTA)U7完成的。該運算放大器所用的晶片(原本是3080,但還包括類似LM13700的更現代的部件)主要將差動輸入電壓乘以單極偏置電流(如輸入箭頭所示)從而得出輸出電流。在這種情況下,若輸入電壓達到飽和值(0.7V就夠了),則OTA的作用更像是一個極性反轉開關,將偏置電流鏡像到輸出端,並成為源流或沈流,這要視差動輸入極性而定。輸出電流在R13兩端形成電壓,而R13加進到輸入信號中或從輸入信號中移除,視電路輸出的數位信號而定。


U5實現了利用差動輸入電流電壓轉換器驅動OTA的偏壓輸入(內部可參考負供電軌)。


U6為最終輸出比較器,可對輸入信號±滯後和信號峰值之間的低通濾波器(LPF)中間點(跳線“A”)進行比較,或對輸入信號±滯後和低通信號(跳線“B”)進行比較。可根據信號的特性來選擇比較的方式,我發現在我的應用中跳線“A”的效果最好。


微調電容器R4用來設置靜態滯後並補償放大器的偏移。D6將U7的偏置輸入值置於我所使用的運算放大器的輸出範圍內,而這些輸入值範圍可以根據具體使用的運算放大器和OTA進行刪除或修改。假定電源“乾淨”且穩定。


細心的讀者可能會問為什麼我不就地取材,使用OTA來代替U5 VCCS電路。遺憾的是,這種情況已經有30年了,我也不太清楚為什麼,可能另有原因吧。


這個電路今天仍然有用嗎?我確信它仍有用武之地,雖然像許多類似的電路一樣,微控制器也可以做的更好。那就隨你挑吧。




參考文獻:

Jung, W.G., IC Op-amp Cookbook, section 4.2.4: Bi-directional output VCCS




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