Детекторы быстроменяющихся сигналов

В статье рассматриваются детекторы, чувстви­тельные к скорости изменения сигналов. Область применение — обработка и обнаружение сигналов, эхо-локация, дефектоскопия, системы аварийно­го оповещения, анализ музыкальных сигналов.

Впервые с задачей выделения быстро изменя­ющихся сигналов автор столкнулся в 1977 году в период увлечения автором светомузыкой. Не умо­ляя гения Александра Скрябина, с горечью мож­но констатировать, что это очень перспективное, как казалось, направление обработки музыки с превращением ее в световую композицию было утопическим и тупиковым. Но автором этой статьи, применительно к светомузыкальным установкам, был разработан целый ряд интересных и полезных технических решений.

Одно из них было разработано для опытной све­томузыкальной установки HELENOS-12, когда пе­ред автором стояла задача повысить динамику световой композиции. Как известно, динамический диапазон среднего по качеству записи музыкаль­ного произведения составляет примерно 60 дБ, в то время как диапазон изменения светового пото­ка ламп накаливания не превышает 10…15 дБ. Не­обходимо было искусственно внести некоторую динамическую составляющую в световой поток.

На практике было установлено, что вводить та­кую динамическую составляющую необходимо именно при резком изменении громкости музы­кального произведения. При плавном нарастании громкости ее ведение было излишним. Другими словами, необходимо было найти способ анали­за музыкального сигнала с реакцией анализатора на скорость изменения сигнала по его среднеква­дратичному уровню (без компрессии). Причем этот анализ необходимо было выполнить только лишь для сигналов выше некоторого заданного уровня, что и упростило решение задачи. Блок- схема такого детектора на основе ждущего муль­тивибратора показана на рис. 1.

Рис. 1

Схема работает следующим образом. На вход подается сигнал, если его уровень превысил по­рог срабатывания порогового устройства «ПУ1», то запускается ждущий мультивибратор «ЖМ», который вырабатывает импульс определенной длительности. Ес­ли за это время уровень сигнала превысил порог срабатывания порогового устройства «ПУ2», то на выходе схемы совпадения «И» появляется импульс, свидетель­ствующий о том, что время, за которое сигнал достиг порога, не превышает предельного значения заданного длительностью импульса, который вырабатывает ждущий муль­тивибратор «ЖМ». Если за время, заданное дли­тельностью импульса ждущего мультивибратора, уровень сигнала не достиг порога срабатывания порогового устройства «ПУ2», то на выходе детек­тора импульс будет отсутствовать. То есть это да­ет ответ о величине скорости нарастания сигна­ла. Такое решение подходит лишь в тех случаях, когда известен уровень сигнала и его динамиче­ский диапазон. В опытной светомузыкальной ус­тановке HELENOS-12, для которой это решение было разработано, импульс от детектора включал дополнительную группу ламп, которая работала в независимости от спектра музыкального сигнала, а включалась только в зависимости от его уров­ня и динамики. Как правило, это неплохо подчер­кивало ритм ударных инструментов. Узлы этого детектора не являются чем-то оригинальным, поэтому рассматривать их отдельно нет особого смысла.

Но что делать, когда уровень сигнала меняется в широком диапазоне и во всем этом диапазоне нужно выделить моменты, в которые скорость его нарастания или спада выше некоторой критичес­кой? Пороговые устройства с фиксированным по­рогом срабатывания и ждущим мультивибратором здесь уже не помогут. Представим, например, что необходимо определить некоторую критическую неравномерность в изменении уровня сигнала или переход через его экстремум. Причем при этом при анализе не должно быть зависимости от уровня сигнала. Важно отслеживать именно харак­тер его изменения на некотором отрезке времени. Такую задачу могут решать классические схемы, построенные на линиях задержки или устройствах выборки-хранения. Функциональные схемы двух вариантов таких устройств показаны на рис.2.

Рис. 2

Работа первой схемы (рис.2,а) основана на сравнении пороговым устройством «ПУ» двух сиг­налов — текущего и имевшего место некоторое время назад. Это время определяется временем задержки сигнала линией задержки «ЛЗ». Таким образом, можно определить, какой сигнал присут­ствует — нарастающий или спадающий, но скорость изменения сигнала здесь не учитывается. Схема позволяет детектировать момент измене­ния функции с возрастающей на убывающую и, на­оборот, в зависимости от того, какой сигнал на входе порогового устройства «ПУ» принимается за опорный. Проблема в реализации такого устрой­ства заключается в линии задержки. Выполнить ее для низкочастотных (особенно для медленно ме­няющихся сигналов) сигналов крайне затруднительно. Вторая схема (рис.2,б) более проста для реализации. Здесь используется только лишь за­держка импульсов управления (что не представля­ет сложности, например, для этого могут исполь­зоваться передний и задний фронт управляющего

импульса), которые, в свою очередь, управляют двумя устройствами выбор­ки-хранения (УВХ1 и УВХ2).

Устройство работает следующим образом. В устройство выборки хране­ние «УВХ1» записывается текущий уро­вень сигнала, но с некоторой задерж­кой, а в устройство выборки-хранения «УВХ2» — предыдущий уровень сигнала, который был записан ранее в устройст­во выборки-хранения «УВХ1». Эти сигналы сравниваются, и на выходе сравнивающего компаратора «ПУ» вырабатывается сигнал, свиде­тельствующий о нарастании или убывании входно­го сигнала (в зависимости оттого, какой из сигна­лов на входе порогового устройства «ПУ» принимается за опорный).

Детектор момента изменения знака первой производной входного сигнала

Рис. 3

Во время работы над одним из проектов авто­ром была разработана простая схема детектора иного типа, не содержащая ни элементов внешне­го управления, ни линий задержки, в общем понимании, ни ждущих мультивибраторов. Схема поз­воляет детектировать момент изменения знака первой производной функции входного сигнала (именно это определяет, какая функция представ­лена — нарастающая или спадающая), причем (что особо важно) с учетом скорости ее изменения на анализируемом отрезке времени. Схема устрой­ства показана на рис.3 (базовый вариант схемы был впервые опубликована в [1]).

Схема была разработана для эхолокатора с це­лью выявления некоторых предельных неравномер­ностей в отраженном сигнале. Но в ряде случаев она может использоваться для детектирования точки по­ворота функции (прохождение экстремума) и вос­становления импульсов загрязненных шумами. Еще одна область применения данного технического ре­шения — это системы обнаружения и сигнализации.

Схемы выполнена на базе операционного усили­теля (IC1), который включен по схеме компаратора с небольшим гистерезисом. Устройство выдает высокий логический уровень, когда входной сигнал находится выше некоторого точно установленного порога, и он будет переключен на низкий логический уровень, когда уровень входного сигнала начи­нает уменьшаться, но со скоростью более заданной. Выходной сигнал будет иметь высокий логический уровень в течение всего времени присутствия вход­ного сигнала, если скорость его уменьшения будет менее заданной. Таким образом, это устройство мо­жет выбрать импульсы с заданным фронтом из мед­ленно флуктуирующего и зашумленного сигнала.

Входной фильтр нижних частот R1С1 уменьша­ет уровень шумов в спектре сигнала на входе де­тектора. Частота среза фильтра (на рис.3 она со­ставляет 31 Гц) должна быть установлена в зависимости от входного сигнала. Она не долж­на быть слишком низкой, чтобы не искажать ско­рость изменения сигнала, но и не должна быть слишком высокой, чтобы не ухудшать помехоза­щищенность. Другими словами, необходим ра­зумный компромисс, зависящий от ожидаемого поведения входного сигнала. Правильный выбор полосы пропускания фильтра улучшает точность анализа входного сигнала. Сопротивления R3, R4 устанавливают небольшой гистерезис. Этот гис­терезис необходим для предотвращения «дребез­га» сигнала на выходе детектора в случае медлен­ных входных сигналов с шумовой составляющей. Порог чувствительности устройства к уровню входного сигнала установлен с использованием делителя R6R7R8 и обеспечивает устойчивость детектора к помехам и шумам, лежащим вне его рабочего диапазона входных напряжений.

Чувствительность к скорости уменьшения уров­ня входного сигнала установлена выбором посто­янной времени разряда конденсатора С2 через со­противление R5.

Примечание. Выбор номиналов резисторов R4, R3 не будет оказывать заметное влияния, ес­ли номинал сопротивления R4 намного больше, чем номинал R5.

Таким образом, если некоторый сигнал имеет уровень выше, чем порог чувствительности устройства, и это возрастающий по уровню сигнал, то он зарядит конденсатор С2 приблизительно до на­пряжения этого входного сигнала в текущий мо­мент времени. Выходной сигнал устройства будет иметь высокий логический уровень, потому что по­тенциал на С2 всегда ниже, чем величина возра­стающего входного сигнала на величину падения напряжения на диоде VD1. Но в момент, когда уровень входного сигнала начинает падать со скоро­стью, большей, чем скорость разряда конденсато­ра С2 через резистор R5, выходной уровень уст­ройства будет изменен на низкий логический уровень (лог. «0»), потому что потенциал на С2 бу­дет выше, чем величина спадающего входного сигнала в данный момент времени.

Если скорость спада сигнала менее чем ско­рость разряда конденсатора С2 через сопротив­ление R5, выходной сигнал устройства будет ос­таваться на высоком логическом уровне (лог. «0»). Выход устройства переключится на низкий логи­ческий уровень и в том случае, если уровень вход­ного сигнала опустится ниже порога чувствитель­ности устройства. Диод VD1 предотвращает разряд конденсатора С2 через входные цепи.

В качестве VD1 можно использовать любой ма­ломощный диод, причем обязательно диод Шоттки (так как требуется минимальное падение напря­жение на диоде).

Цепь R2D2 обеспечивает преобразование би­полярного импульса на выходе операционного усилителя (IC1) в униполярный импульс и защиту входных цепей инвертора IC2-1. Представленная схема позволяет построить на аналогичном прин­ципе и устройство для обнаружения нарастающе­го с заданной скоростью сигнала.

На рис.4 показана работа этого детектора в режиме обнаружения экстремума функции входного сигнала. На рис.4 уровень шумовой состав­ляющей сигнала был искусственно увеличен для иллюстрации эффективности работы детектора.

Рис. 4

Прецизионный входной детектор

В качестве прецизионного входного детекто­ра, работающего с сигналами малых уровней, необходимого для выделения огибающей, может быть рекомендована схема, показанная на рис.5. Естественно, что такой детектор [2] дол­жен использоваться с соответствующим выход­ным фильтром (условия описаны выше для схе­мы рис.3). При указанных на схеме номиналах резисторов (R1=R2=R3=R4=R5), детектор имеет коэффициент передачи равный единице. При не­обходимости увеличения коэффициента переда­чи необходимо одновременно увеличить номи­налы резисторов R3, R5, то есть должно быть выполнено условие R1 =R2=R4 и R3=R5. Коэффи­циент передачи при этом будет равен K=R1/R3. В качестве диодной сборки VD1 можно исполь­зовать любые диоды, предпочтительно диоды Шоттки.

Рис. 5

Литература

1. Vladimir Rentyuk Circuit detects rapidly falling sig­nals and rejects noise // — 2011. — November 3.
2. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. — М.: Мир, 1985.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье
Источник: журнал Радиоаматор №11-12, 2015