NO840813L - Begrenser med dynamisk hysterese. - Google Patents

Description

Begrenser med dynamisk hysterese.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører begrenser-kretser eller nullgjennomskjærende detektorer som omsetter ei analog inngangsbølgeform til ei binær digital bølgeform,

som er egenet som interface for en signalprosessor, som eksempel-vis en mikroprosessor. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen en begrenserkrets med dynamisk hysterese, som frambringer et rent begrenset utgangssignal , som har et bredt inngangs-dynamikkområde og hurtig reaksjon på endringer i DC-nivå

for inngangsbølgeforma.

Lærebokskretser for begrensere (se Burr-Brown "Operational Amplifiers", sidene 358-364) løser problemet med glitch fremkalt av støy eller harmonisk forvrengning ved signalskiftepunkter ved å tilføre positiv tilbakekopling eller hysterese til begrenserens sammenliknende trinn. Glitch defineres av IEEE Standard Dictionary of Electrical and Elec-tronics Terms (1972) som" uro i impulsbølgeforma av forholdsvis kort varighet og av uviss opprinnelse. For gitte anvendelser er et hysteresenivå på en viss presentdel av inngangsspiss-til-spissvingespenningen vanligvis optimalt. For tida har be-grenserkretser hysteresesløyfer som har et fast nivå. Når inngangsspenningen stiger eller faller, vil hystereseprosent-delen i forhold til inngangsnivået endres, slik at den av hysteresen frambragte forbedringen kun er effektiv over et snevert område av inngangsspenningsnivåer. Det er følgelig et behov for en begrenserkrets som løser problemet med glitch på begrenserutgangen under signaloverfanger uten å være begrenset til å virke i et snevert område av inngangsspenningsnivåer .

Et formål med oppfinnelsen er å anvise en begrenserkrets med et hysteresenivå som er en fast prosentdel av begrenserens inngangsspenningsnivå.

Et annet formål med oppfinnelsen er å anvise en begrenserkrets med et hysteresenivå som er effektivt over et bredt område av inngangsspenningsnivåer.

Den anviste begrenserkretsen har dynamisk hysterese for oppnåelse av forbedret forvrengningsimmunitet på kretsens utgang som reaksjon på et inngangssignal. Begrenserkretsen er anvist i krav 3. Oppfinnelsen blir i det følgende forklart nærmere med henvisning til tegningen, der

fig. 1 viser et blokkdiagram av den tiltenkte anvendelse av en begrenserkrets ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 et funksjonelt blokkdiagram for begrenserkretsen ifølge oppfinnelsen,

fig. 3A-C grafiske representasjoner for bølgeformer i begrenserkretsen ifølge fig. 2 og

fig. 4 et komponentdiagram for begrenserkretsen.

Fig. 1 viser den anvendelsen som begrenserkretsen ifølge oppfinnelsen er beregnet for. Kretsen er en del av en tonedetektorbehandlende kjede. Tonedetekteringen utføres ved å la inngangssignaler passere et analogt båndbegrenserkrets 13. Formålet med begrenserkretsen 13 er å omsette den analoge inn-gangsbølgef orma til ei binær digital bølgeform, som er egnet som interface til en digital mikroprosessor 14. Utgangssignalet fra begrenseren 13 påtrykkes en inngangsport på en mikrocom-puter, som ytterligere behandler signalet og treffer avgjørelse om forekomst eller fravær av den forventede tone. Oa den av mikrocomputeren anvendte algoritme ofte krever presise målinger av tidsintervallet mellom på hverandre følgende flanker på bølgeforma fra begrenserens utgang, er det meget viktig at begrensers utgangssignal er uten glitch eller dobbeltover-ganger. Forvrengning av signalet i et overgangspunkt kan være fremkalt av 1) harmonisk forvrengning av inngangssignalet som_følge av kanalulinearitet eller 2) Lokal støy fra slike kilder som spennings forsyningen eller skiftetransistorer.

Båndpassfilteret 11 er et bredbåndfilter. For frekvenser ved lavere ende av båndet kan det skje at deres andre eller kanskje også deres tredje harmoniske ligger i båndet. Lokal støy, som illustrert i fig. 1, kan bli addert til signalet i et punkt som ligger etter filteret 11. Inngangen på begrenseren 13 kan derfor være utsatt for forvrengninger i signalet, som eventuelt kan medføre overgangsforvrengninger på begrenserens utgang.

Begrenseren 13 løser dette problemet ved å fram-bringe et forspenningsreferansesignal, som er en fast del av inngangssignalnivået. Dette forspenningssignalet anvendes sammen med positiv tilbakekopling til å holde hys^erese-prosenten konstant over et dynamikkoniråde på 50 dB. Ytterligere kan begrenserkretsen spore DC-nivåendringer og til-passe seg disse automatisk.

Fig. 2 viser et funksjonelt blokkdiagram for den

i fig. 1 viste begrenserkretsen 13. Positive og negative spissdetektorer 15 hehholdsvis 17 påtrykkes et analogt inngangssignal A fra båndfilteret 11 i fig. 1. Spissdetektorenes utgangssignaler B og C påtrykkes en vektet middelverdidannende krets 18 med utgangssignaler D og E. De relative vekter som bibringes spenningene B og C, er forskjellige for hver av utgangene D og E. De vektede middelverdisignaler D og E påtrykkes en analog omskifter 19. Utgangssignalet F fra omform-eres 19 utgang påtrykkes den negative inngang på en sammenliknende krets 21. Det sammenliknende kretsens 21 positive inngang påtrykkes signalet A fra båndpassfilteret 11 (fig. 1). Utgangssignalet G fra den sammenliknende kretsen 21 er det firkantede utgangssignalet G fra den sammenliknende kretsen 21 er det firkantede utgangssignal fra begrenseren 13 i fig. 1. Signalet G påtrykkes den analoge omformer 19 som styresignal.

Fig. 3A-C viser bølgeforma for de forskjellige inngangs/utgangssignaler i fig. 2. Fig. 3A viser inngangs- og utgangsbølgeformer i forbindelse med den positive spissdetektor 15 og den negative spissdetektor 17. Bølgeform A i fig. 3A varierer i amplitude med tida. Bølgeform B representerer utgangssignalet fra den positive spissdetektor 15. På tilsvar-ende måte representerer bølgeform C den negative spiss-til-spiss detektering av bølgeform A, slik som den finner sted i den negative spissdetektor 17. Fig. 3 B viser inngangsbølgeformene til den sammenliknende kretsen 21. Bølgeform F er utgangssignalet fra den analoge omformer 19, altså inngangssignalet på det sammenliknende kretsens 21 negative inngang. Amplituden på bølgeform F i fig. 3B er direkte relatert til spissamplituden for inngangssignalet A og spissdetekteringssignalene B og C. Den dynamiske hysterese kan ses i fig. 3B i skjæringspunktene mellom bølgeformene A og F. Når bølgeform A er i en positiv del av sin syklus, er den analoge omformer 19 låst til signalet E fra de vektede middelverdidannende kretsene 18. Etter hvert som amplituden for signalet A avtar, faller den under amplituden av signalet E. Da den analoge omformer 19 i denne perioden er låst til signalet E, vil signalet F være iden-

tisk med signalet E. Når signalet A faller under signalet F, vil den sammenliknende kretsens 21 utgang skifte polaritet. Dette medfører at den analoge omformeren avbryter forbindelsen med signalet E og låses til signalet D. Dette fremkaller et plutselig skift i signalet F, som det framgår av fig. 3B.

Etter hvert som inngangssignalet A beveger seg langs sin negative syklus, trenger det mer enn en halvperiode for å nå et skjæringspunkt med signalet F, der den sammenliknende kretsens 21 utgang atter skifter polaritet. Som det framgår av fig. 3B, er den delen mer enn en halvperiode, som inngangssignalet A skal følge før det skjærer signalet F, avhengig av størrelsen av inngangssignalet A. Det er på denne måte at begrenserens hysterese er dynamisk.

Fig. 4 viser et komponentdiagram for begrenseren

med dynamisk hysterese ifølge oppfinnelsen. Den positive spissdetektoren 15 er sammensatt av en operasjonsforsterker 23, en diode Dl og en kondensator Cl. Den negative spissdetektor 17 utgjøres av en operasjonsforsterker 25, en diode D2

og en kondensator C2. Verdiene av kondensatorene Cl og C2 er relatert til frekvensen på begrenserinngangen da utladnings-tida for kondensatorene skal være vesentlig lengre enn inn-gangssignalets frekvensperiode. Seriekoplede motstander RI,

R2 og R3 utgjør den vektede middelverdidannende kretsen 18. Utgangene på de to spissdetektorene er forbundet til hver

sin ende av de seriekoplede motstandene RI, R2 og R3. To spenninger i dette motstandsnettverket er valgt som innganger til den analoge omformer 19, nemlig spenningene i de to felles punktene mellom henholdsvis motstandene RI og R2 og motstandene R2 og R3. Motstandsnettverket tjener et dobbelt formål. Motstandene frambyr en utladningsvei for kondensatorene Cl og C2, slik at disse, hvis inngangssignalet fjernes, vil søke

å utlades mot middelverdien av deres to tidligere verdier.

Mer viktig er det imidlertid at motstandsnettverket frem-bringer de to referanseinngangsspenninger til den analoge omformeren 19, nemlig For representative verdier R1=R3= 3900 Ohm og R2= 390 Ohm er

Bemerk at V D (spenningen D i fig. 4 er 2,41 større og Vg (spenningen E i fig. 4 ) er 2,4% mindre enn midtpunktet mellom (spenningen C i fig. 4) og Vg (spenningen B i fig. 4). Disse to spenninger (<V>^og<V>g) anvendes til å eta-blere en samlet hysterese på 4,81 for den sammenliknende kretsen 21.

Som et overslag kan begrenserens hysterese bestemmes av uttrykket

Motstandene R4 og R5 frambringer en mindre ytterligere hysterese ved positiv tilbakekopling for den sammenliknende kretsen 21. Denne positive tilbakekoplingen medfører en fast hysterese. Dette hindrer at hysteresen blir null når inngangssignalnivået når under det ønskede dynamikkområdet. Den faste hysterese sikrer at begrenseren vil være stabil ved lave inn-gangsforhold fordi den faste hysteresespenningen blir en økende større prosentdel av inngangsspenningen når denne avtar i størrelse til et punkt utenfor begrenserens 50 dB dynamikk-område.

Som forklart i forbindelse med fig. 3A-C genereres hysteresespenningen F ved skiftende valg av spenningen D eller spenningen E i samsvar med den sammenliknende kretsens ut-gangstilstand (signalet G). En kondensator C3 mellom den sammenliknende kretsens 21 negative inngang og jord sikrer at spe-nningsskiftene mellom V n og VR skjer uten skiftetransienter. Den analoge omformeren 19 kan omfatte et par transmisjons-porter 19A og 19B som vist i fig. 4. Men den analoge omformeren er foretrukket foran en integrert krets (MC14053B). Den analoge omformeren anvendes som enkeltpolet, dobbeltlåsende omformer. Den sammenliknende kretsens 27 utgang avgir styre-signalet til transmisjonsportene 19A og 19B. Når kretsens 21 utgang er høy, vil transmisjonsporten 19B forbinde den negative spissdetektorspenning E til den negative inngang på den sammenliknende kretsen 21 mens transmisjonsporten 19A er lukket. Når kretsens 21 utgang blir lav, bytter de to portene 19A og 19B tilstand, slik at kretsens 21 negative inngang forbindes med den positive spissdetektorspenning D. Antallet skift på den sammenliknende kretsens 21 negative inngang - fremkalt ved omskiftingene mellom spenningene D og E

er en prosentvis del av inngangssignalet A.

Sammenfattende har den anviste begrenser dynamisk hysterese fremkalt ved alternerende sammenlikning av et referansesignal med spenningsnivåer som er proposjonale med referansesignalets positive og negative spenninger.

Claims (8)

1. Framgangsmåte for å oppnå en begrenserkrets med dynamisk hysterese,karakterisert vedat en detekterer de positive og negative spisser av ei inn-gangsbølgef orm, at en danner minst to vektede middelverdier av de positive og negative spissene, skiftevis velger ut et av de vektede middelverdisignaler, sammenlikner dette med inngangsbølgeforma og frambringer et første utgangssignal hvis det utvalgte vektede middelverdisignalet er større enn inngangsbølgeforma, og frambringer et annet utgangssignal hvis det utvalgte vektede middelverdisignalet er mindre enn inngangsbølgeforma.

2. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat en velger ut et av de vektede middelverdisignalene i avhengighet av de frambragte utgangssignaler.

3. Begrenserkrets med dynamisk hysterese til å oppnå forbedret forvrengnings immunitet på kretsutgangen som reaksjon på et inngangssignal,karakterisert vedat de omfatter detekterende krets (15,17) til detektereing av de positive og de negative spisser i inngangssignalet, en krets (18) til dannelse av flere vektete middelverdier av de positive og negative spissene, en sammenliknende krets (21) med en første inngang som påtrykkes inngangssignalet, og en krets (19) til vekselvis å velge ut et av de flere vektete middelverdi signalene og påtrykke dette på en annen inngang på den sammenliknende kretsen (21) til å oppnå en dynamisk hystere sevirkning.

4. Begrenserkrets i samsvar med patentkrav 3,karakterisert vedat den kretsen (19) som vekselvis velger ut et av de vektede middelverdisignaler, styres av utgangssignalet fra den sammenliknende kretsen (21).

5. Begrenserkrets i samsvar med patentkrav 3 eller 4,karakterisert vedat den kretsen (19) som vekselvis velger ut et av de vektede middelverdisignaler, er en analog omformer.

6. Begrenserkrets i samsvar med patentkrav 3-5,karakterisert vedat kretsen (18) til dannelse av de flere vektede middelverdier er et spenningsdelernettverk.

7. Begrenserkrets i samsvar med patentkrav 3-6,karakterisert vedat den sammenliknende kretsen (21) omfatter en fast hysteresespenning til stabilisering av begrenserkretsens utgang ved inngangssignaler med lavt nivå.

8. Begrenserkrets med dynamisk hysterese til å oppnå forbedret forvrengningsimmunitet på kretsutgangen som reaksjon på et inngangssignal,karakterisert vedat det omfatter krets (15,17), som påtrykkes inngangssignalet og frambringer forskjellige signaler som er proporsjonale med inngangssignalet, omformerorganer (19) til vekselvis å velge ut et av de flere signalene, en sammenliknende krets (21) som påtrykkes inngangssignalet og det utvalgte signalet, og en tilbakekoplingskrets (R5) for den sammenliknende kretsen (21) til styring av omformerorganet (19).