自適應(yīng)施密特觸發(fā)器可馴服不規(guī)則信號(hào)

在使用諸如生物醫(yī)學(xué)儀器的過(guò)程中，我們有時(shí)需要在雜亂或不規(guī)則的信號(hào)中提取有效信息。本例中,需要對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行“整理”，而呼吸信號(hào)可以表現(xiàn)出幅度和頻率的大范圍變化，以及漂移的基線(xiàn)。本文介紹一個(gè)自適應(yīng)的“超級(jí)施密特觸發(fā)器”，它有許多可調(diào)參數(shù)，可以出色地馴服輸入信號(hào)(圖)。

觸發(fā)器設(shè)計(jì)值所對(duì)應(yīng)的預(yù)期輸入范圍為50mV~1V峰峰值和0.07Hz~2Hz頻率。

U1和U2會(huì)檢測(cè)輸入端的正、負(fù)峰值，但不同于一般的檢測(cè)器，它們還包括R1和R2以根據(jù)信號(hào)特征按需提供阻尼(毛刺抑制)。這些電路結(jié)構(gòu)與R16聯(lián)用可以控制峰值電壓的衰減速度。這些檢測(cè)器(由U3和U4進(jìn)行緩沖)所跟蹤的PP振幅既可以用來(lái)調(diào)節(jié)最終比較器U6的滯環(huán)，還可提供過(guò)零參考。

滯后調(diào)整是通過(guò)跨導(dǎo)運(yùn)放器(OTA)U7來(lái)完成的。該運(yùn)放器所用的芯片(原本是3080，但還包括類(lèi)似LM13700的更現(xiàn)代的元件)主要將差動(dòng)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(dá)到飽和值(0.7V就足夠了)，則OTA的作用更像是一個(gè)極性反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，將偏置電流鏡像到輸出端，并成為源流或沉流，這根據(jù)差動(dòng)輸入極性而定。輸出電流在R13兩端形成電壓，而R13則根據(jù)電路輸出的數(shù)字信號(hào)添加到輸入信號(hào)中或從輸入信號(hào)中去除。

U5實(shí)現(xiàn)了利用差動(dòng)輸入電流電壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)OTA的偏壓輸入(內(nèi)部可參考負(fù)供電軌)。

U6為最終輸出比較器，用于對(duì)輸入信號(hào)±滯后和信號(hào)峰值之間的低通濾波器(LPF)中間點(diǎn)(跳線(xiàn)“A”)進(jìn)行比較，或?qū)斎胄盘?hào)±滯后和低通信號(hào)(跳線(xiàn)“B”)進(jìn)行比較。比較方式是基于信號(hào)的特性進(jìn)行選擇，最后發(fā)現(xiàn)在跳線(xiàn)“A”的效果最好。

微調(diào)電容器R4用來(lái)設(shè)置靜態(tài)滯后并補(bǔ)償放大器的偏移。D6將U7的偏置輸入值置于使用的運(yùn)放器的輸出范圍內(nèi)，而這些輸入值范圍可以根據(jù)具體使用的運(yùn)放器和OTA進(jìn)行刪除或修改。假定電源“干凈”且穩(wěn)定。

細(xì)心的讀者可能會(huì)問(wèn)為什么不就地取材，使用OTA來(lái)替代U5VCCS電路。遺憾的是，這種情況已經(jīng)存在了30年，具體原因還不太清楚。