2.4. Нелинейные преобразователи аналоговых сигналов

В задачах обработки биомедицинских сигналов и формирования различных видов воздействия на биообъекты часто приходится пользоваться нелинейными преобразователями вида . Такие преобразования реализуются двумя способами: на основе использования нелинейных физических эффектов; на основе различных методов аппроксимации.

2.4.1. Сравнивающие устройства (компараторы)

Аналоговые компараторы предназначены для сравнения величин двух аналоговых сигналов в соответствии с соотношением

, (2.17)

где U_вх – анализируемый входной сигнал; Е_ОП – опорный сигнал (уровень сравнения); – уровень выходного сигнала при превышении входного сигнала над опорным; – уровень выходного сигнала при превышении опорного сигнала над входным.

Таким образом компаратор по своему выходному сигналу имеет два состояния, что позволяет рассматривать его как элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам.

Аналоговые компараторы строятся на операционных усилителях или реализуются как самостоятельные изделия.

Работа компаратора, построенного на ОУ, основана на том, что из-за большого коэффициента усиления при разорванной цепи обратной связи даже небольшая разность потенциалов на его прямом и инверсном входах приводит к переходу ОУ в режим насыщения с напряжением близким к уровням питающего напряжения. Для ограничения уровня выходного напряжения могут быть использованы стабилитроны (рис. 2.25 а).

В этой схеме стабилитрон ограничивает уровень выходного сигнала на уровне напряжения стабилизации и на уровне своего прямого напряжения .

Изменение полярности напряжения U_вых происходит при переходе через ноль напряжения U_н, т.е. при U_вх=U_oп(R₁/R₂). Схемы с аналогичными характеристиками могут быть использованы для фиксации момента достижения входным сигналом заданного уровня (порога). На рис.2.54, б показана временная диаграмма работы компаратора, настроенного на величину порогового напряжения Е_п. При использовании сумматора на входе компаратора можно реализовать схемы линейного порогового элемента, которые широко используются, например, при реализации функции нейронного элемента в теории распознавания образов (рис.2.54, в). Эта схема воспроизводит функцию вида:

,

где а_i – весовые коэффициенты задаваемые переменными резисторами.

Сравнивающие устройства можно выполнять на ОУ без обратной связи, используя свойства выходных каскадов входить в режим насыщения (рис.2.25, г). Эти схемы обладают хорошей точностью и низким быстродействием из-за того, что необходимо время на восстановление транзисторов выходных каскадов. Общее быстродействие ухудшается еще и инерционностью стабилитрона.

Рис. 2.25. Варианты схем реализации компараторов

Приведенные схемы обладают низкой помехозащищенностью, поскольку наличие помехи в районе порога срабатывания может приводить к ложным срабатываниям. Для повышения помехозащищенности устройств сравнения или для образования двух порогов переключения вводят цепь положительной обратной связи (рис. 2.26). Цепь обратной связи образует в передаточной функции ОУ гистерезис шириной .Наличие указанной связи позволяет сохранять одно из двух устойчивых состояний U⁺_вых или U^-_вых, даже если U_вх=0. Пороги переключения Е_П1, и Е_П2 легко найти из условия равенства напряжений U_и и U_н, пренебрегая, например, влиянием входных токов:

;

;

.

Рис. 2.26. Компаратор с петлей гистерезиса

Если включить ограничивающий диод (штриховая линия), то

П ромышленность выпускает различные типы интегральных компараторов, которые представляют собой усилители постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом, малым смещением нуля, большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Компаратор обладает логическим (двоичным) выходом, а его входной каскад должен выдерживать большие синфазные и дифференциальные напряжения на входах, не попадая в режим насыщения, что позволяет обеспечивать повышенное быстродействие.

Условие малой чувствительности к большим входным напряжениям может быть реализовано использованием двух ограничивающих диодов (рис. 2.27 а).

U_вх

Рис. 2.27. Схемы включения интегральных компараторов

Интегральные компараторы могут работать в режиме петли гистерезиса (рис. 2.27 б).

Такая схема имеет пороги срабатывания:

;

и ширину гистерезиса:

Для повышения помехозащищенности некоторые типы компараторов снабжаются логическим стробирующим входом, реализующим сравнение и переключение компаратора только в задаваемые внешним сигналом интервалы времени.

Некоторые модификации компараторов снабжены выходными триггерами защелками, фиксирующими состояние компаратора по синхроимпульсу. Ряд интегральных компараторов имеют неподключенные коллекторы и эмиттеры (открытые выходы).

Повышение быстродействия компараторов обеспечивается специальными схемотехническими решениями, например, не давая входить в насыщение транзисторам за счет подключения диодов Шоттки.

Используя различные схемы включения на компараторах получают различные функциональные узлы.

На рис. 2.28 приведена схема, фиксирующая положение входного напряжения внутри двух напряжений U₁ и U₂ (компаратор с «окном» по напряжению).

Рис. 2.28. Электрическая схема двухпорогового компаратора

Логическая схема “И” на выходе компаратора формирует сигнал логической единицы только тогда, когда на выходах обоих компараторов КН₁ и КН₂ наблюдаются сигналы логической единицы, а это возможно только тогда, когда выполняется условие U₁<U_вх<U₂.

На рис. 2.27 и 2.28 приведены два способа изображения компараторов, принятые в отечественной литературе.

При использовании схем с открытыми коллекторами, подключенными через общий резистор к питанию, образуется “монтажное И”, реализующее ту же функцию, что и элемент “И” на рис. 2.28.

В работе [3] можно найти другие варианты построения функциональных схем на компараторах, включая реализацию логических функций, генераторов, модуляторов и т.д.