УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛИППИРОВАНИЯ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ
SIGN-VARIABLE SIGNALS CLIPPING DEVICE

Изобретение относится к радиотехнике, служит для преобразования аналоговых знакопеременных сигналов в прямоугольные импульсы и может быть использовано при построении цифровых средств обработки сигналов и измерении их параметров.
ITP
ITN
ITP
ITN
Как правило, в качестве устройства для клиппирования сигналов применяют аналоговый компаратор, на один из входов которого подают аналоговый клиппируемый сигнал, а на другой - пороговый уровень, равный нулю или близкий к нему, см., например, [Справочник по нелинейным схемам / Под ред. Д. Шейнголда. - М.: Мир, 1977, стр. 20-22]. Хорошо известным недостатком такого устройства является его невысокая помехоустойчивость. Наличие помех на входе компаратора приводит к появлению серии коротких ложных импульсов вблизи фронтов выходного импульса, что объясняется многократным пересечением порогового уровня входным сигналом в областях, где его мгновенные значения близки к пороговому уровню. Для исключения появления ложных импульсов используют два наиболее распространенных способа. Первый предусматривает формирование, в ответ на первое срабатывание компаратора, «чистого» импульса, длительность которого задается введенным в схему одновибратором, подключенным к выходу компаратора. Такой подход обеспечивает эффективное подавление ложных импульсов, но и имеет ограниченное применение, поскольку в выходной последовательности импульсов сохраняется лишь информация о моментах пересечения сигналом порогового уровня при его переходе через нуль только при одном знаке производной (при смене знака мгновенных значений в одном направлении), и теряется информация о длительностях полуволн клиппируемых сигналов. Больше информации позволяет сохранить второй способ, предусматривающий введение в переключательную характеристику устройства гистерезиса, то есть задания уровня включения U и уровня выключения U, для которых соблюдается условие: U>U [Аванесян Г.Р. Цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие. - М.: Радиотехника, 2008, стр. 93-93, рис. 2.19]. В этом случае при уровне помех, определяемом шириной искусственно созданной петли гистерезиса, удается избежать появления ложных импульсов, но при этом искажается длительность выходного импульса. Если пороговые уровни имеют один знак, длительность уменьшается. Причем искаженным будет выходной импульс как при наличии помех, так и при их полном отсутствии или незначительном уровне, не приводящем к многократным срабатываниям компаратора. Примером такого устройства, в котором предусмотрена возможность управления пороговыми уровнями (уровнями срабатывания), является техническое решение, описанное в [Пат. RU 2007855. Опубл. 15.02.1994], принятое за прототип. Указанное устройство содержит два компаратора и D-триггер, выход которого является выходом устройства, а входом - объединенные прямой вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора, инвертирующий вход первого компаратора является входом первого порогового напряжения, прямой вход второго компаратора - входом второго порогового напряжения, выход второго компаратора соединен с тактовым входом D-триггера, выход первого компаратора через дифференцирующую цепочку соединен со входом асинхронной установки в единицу D-триггера, D-вход которого соединен с его инверсным выходом.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит главным образом в возможности получения импульсов неискаженной длительности в отсутствии помех и снижения искажений импульсов при наличии помех.
Технический результат достигается тем, что в устройство для клиппирования знакопеременных сигналов, содержащее два компаратора и D-триггер, выход которого является выходом устройства, а входом - объединенные прямой вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора, согласно изобретению, введены третий компаратор, два RS-триггера и элемент И, выход первого компаратора соединен с тактовым входом D-триггера, D-вход которого является входом фиксированного уровня логической единицы, выход второго компаратора соединен с обнуляющими входами первого и второго RS-триггеров, установочный вход первого RS-триггера соединен с выходом третьего компаратора, прямой вход которого подключен ко входу устройства, установочный вход второго RS-триггера соединен с выходом элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого RS-триггера, а второй вход - с инверсным выходом первого компаратора, выход второго RS-триггера соединен с обнуляющим входом D-триггера, инвертирующий вход первого компаратора является входом первого порогового напряжения, инвертирующий вход третьего компаратора является входом второго порогового напряжения, прямой вход второго компаратора является входом третьего порогового напряжения.
Сущность изобретения иллюстрируется графическим материалом. На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия устройства, а на фиг. 3 - графики, иллюстрирующие снижение погрешностей клиппирования.
ITP
ITN
Функциональная схема по фиг. 1 содержит три аналоговых компаратора 1, 2, 3, D-триггер 4, два RS-триггера 5, 6 и логический элемент И 7. Входом u(t) устройства являются объединенные прямые входы компараторов 1, 2 и инвертирующий вход компаратора 3, выход компаратора 1 соединен с тактовым входом D-триггера 4, D-вход которого является входом фиксированного уровня логической единицы, выход компаратора 3 соединен с обнуляющими входами RS-триггеров 5, 6, установочный вход RS-триггера 5 соединен с выходом компаратора 2, установочный вход RS-триггера 6 соединен с выходом элемента И 7, первый вход которого соединен с выходом RS-триггера 5, а второй вход - с инверсным выходом компаратора 1, выход RS-триггера 6 соединен с обнуляющим входом D-триггера 4, инвертирующий вход компаратора 1 соединен с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход компаратора 2 является входом порогового напряжения U, прямой вход компаратора 3 является входом порогового напряжения U.
Временные диаграммы (фиг. 2) содержат входной u(t) синусоидальный сигнал без помех (слева на графике) и обогащенный помехами (справа), а также импульсы:
- на выходе компаратора 1 - x1;
- на инверсном выходе компаратора 1 - x1-1;
- на выходе компаратора 2 - х2;
- на выходе компаратора 3 - х3;
- на выходе RS-триггера 5 - х4;
- на выходе RS-триггера 6 - R;
- на выходе устройства.
ITP
На графиках на фиг. 3 показаны три случая зависимости погрешности τ от напряжения U для синусоидальных сигналов с периодом 0,5 мс, 1 мс и 2 мс.
ITP
ITP
ITN
Работает устройство (см. фиг. 1) следующим образом. При поступлении на вход аналогового знакопеременного сигнала u(t), например синусоидального, как показано на фиг. 2 слева, в момент пересечения им нулевого уровня, то есть при u(t)=0 и , срабатывает компаратор 1 (на выходе x1 устанавливается высокий логический уровень), и по переднему фронту импульса на его выходе D-триггер 4 переходит в состояние логической единицы на выходе (формируется передний фронт выходного импульса). Далее, в момент равенства входного напряжения u(t) пороговому напряжению включения U, срабатывает компаратор 2 (на выходе х2 устанавливается высокий логический уровень), в связи с чем RS-триггер 5 переходит в состояние логической единицы на выходе (выход х4) - таким образом фиксируется признак того, что входной сигнал превысил некоторый заданный пороговый уровень U, превышающий уровень помех. В момент перехода сигналом u(t) нулевого уровня, при смене положительного знака на отрицательный (), на инверсном выходе компаратора 1 появляется высокий логический уровень, который через элемент И 7 передается на установочный вход RS-триггера 6, переводящий последний в состояние логической единицы на выходе (выход R). Появившийся в результате указанного распределения уровней высокий логический уровень R на выходе RS-триггера 6 поступает на вход асинхронного обнуления D-триггера 4, который переходит в исходное состояние, формируя таким образом отрицательный фронт выходного импульса. Далее, при u(t)<0, в момент наступления равенства u(t)=U срабатывает компаратор 3, обнуляющий RS-триггеры 5, 6 и формирующий таким образом задний фронт импульса обнуления.
Описанная работа устройства происходила в предположении, что помехи на входе отсутствовали, и клиппированию подвергался чистый синусоидальный сигнал. Из показанного, включая содержание левой части временных диаграмм, соответствующей синусоидальному входному воздействию, несложно видеть, что фронты выходного импульса формировались строго в моменты перехода сигналом нулевого уровня, то есть клиппирование происходило без искажений, с сохранением длительности импульса, равной длительности положительной полуволны входного сигнала.
ITP
ITN
ITN
Рассмотрим далее случай поступления на вход устройства сигнала v(t)=u(t)+n(t), представляющего собой сумму синусоидального полезного сигнала u(t) и помех n(t), как показано в правой части временных диаграмм по фиг. 2. При первом же пересечении нулевого уровня сигналом v(t) в области, соответствующей условию , срабатывает компаратор 1 и D-триггер 4 переходит в состояние высокого логического уровня на выходе - происходит формирование переднего фронта выходного импульса. Следующие случайные пересечения нулевого уровня, вызванные возвратом сигнала в отрицательную область и выходом из нее, на состоянии выхода устройства не отражаются, так как ложные импульсы в окрестности переднего фронта выходного импульса уже не могут оказать влияние на состояние D-триггера 4. С ростом входного напряжения, при v(t)=U, срабатывает компаратор 2, в связи с чем на выходе RS-триггера 5 (выход х4) появляется высокий логический уровень, и схема переходит в режим ожидания первого пересечения нулевого уровня при . При наступлении равенства v(t)=0, появившийся на инверсном выходе компаратора 1 первый положительный перепад напряжений (выход x1-1) переводит RS-триггер 6 в состояние высокого логического уровня на выходе (выход R). Таким образом, с первым коротким импульсом из серии ложных импульсов в окрестности отрицательного фронта импульса на выходе компаратора 1 происходит обнуление D-триггера 4 и завершение формирования импульса на выходе устройства. Однако снятие активного уровня обнуления с обнуляющего входа D-триггера 4 произойдет только после того, как случайная составляющая сигнала v(t) не сможет вернуть D-триггер 4 в состояние высокого логического уровня на выходе. Это обеспечивается заданием такого значения напряжения отключения U, при котором изменения мгновенных значений n(t) уже не переведут сигнал v(t) в положительную область. Для этого U выбирают исходя из условия:
где max |n(t)| - максимально возможное мгновенное значение модуля помехи n(t).
ITN
Выбор указанным образом модуля напряжения U, которое обязательно должно быть отрицательным, приведет к тому, что импульс асинхронного обнуления R будет удерживать D-триггер 4 в обнуленном состоянии до тех пор, пока мгновенные значения сигнала v(t) гарантированно не окажутся в отрицательной области.
ITP
X
ITP
ITN
ITP
X
Таким образом, как при наличии помех, накладываемых на полезный сигнал, так и при их отсутствии, передний фронт выходного импульса формируется строго в момент первого пересечения нулевого уровня входным сигналом при смене знака с отрицательного на положительный, а задний - при первом пересечении нулевого уровня при смене знака с положительного на отрицательный. Снижение искажений длительности выходного импульса при наличии помех очевидно, так как согласно принципу действия устройства пороговый уровень U не оказывает влияния на момент формирования переднего фронта выходного импульса и следовательно отсутствует погрешность τ, обусловленная повышением уровня срабатывания на величину, задаваемую петлей гистерезиса, призванной в известных устройствах повысить помехоустойчивость. С количественной точки зрения полученный эффект легко увидеть на примере синусоидального сигнала  с периодом Т, если принять за результат величину τ, равную разности между истинной длительностью выходного импульса Т/2 и длительностью T, полученной при клиппировании сигнала в схеме с гистерезисом. Будем полагать, что гистерезисная характеристика смещает только передний фронт выходного импульса, то есть U>0, a U=0. В этом случае, если исходить из того, что длительность импульса х2 (см. фиг. 2), полученная на уровне U, равна , то величина T определится из выражения:
ITP
Будем считать, что изменения длительностей импульсов, вызванные наложением на полезный сигнал помех в виде нормальных случайных процессов с нулевым средним, имеют один знак и равны по модулю. В иллюстративных целях такое допущение вполне правомерно, поскольку на практике нередко можно пренебречь малым изменением крутизны входного сигнала на участке от 0 до U.
Следовательно
или .
ITP
ITP
ITP
Полученная запись устанавливает связь ошибки τ с уровнем U, амплитудой U и периодом сигнала Т. Для наглядности связь τ с U показана графически (фиг. 3) для различных значений Т. Здесь видно, что с уменьшением частоты клиппируемого сигнала ошибка τ возрастает, а зависимость τ от U на участке от 0 до 0,5 U практически линейная.
ITP
ITP
ITP
Относительно выбора значения напряжения включения U заметим следующее. Уровень U не должен превосходить минимальный уровень клиппируемого сигнала v(t), но в то же время должен быть выше уровня помехи n(t), что необходимо, с одной стороны, для определения факта наличия положительной полуволны полезного сигнала, а с другой стороны - для предотвращения переключения RS-триггера 5 при отсутствии клиппируемого сигнала и/или его многократных переключений во время отработки устройством вершины выходного импульса. В отсутствии полезного сигнала, при наличии на входе только помех, при условии, что инвертирующий вход компаратора 1 соединен с шиной нулевого потенциала, на выходе устройства будет присутствовать постоянный высокий логический уровень. При появлении полезного сигнала, превышающего уровень помех, процесс клиппирования будет начат с появлением первой отрицательной полуволны полезного сигнала. В случае необходимости, для исключения появления высокого логического уровня на выходе, на инвертирующий вход компаратора 1 можно подать небольшое пороговое напряжение, меньшее U, что защитит компаратор 1 от ложных срабатываний при небольших уровнях помех на входе. Однако при этом несколько изменятся длительности импульсов на выходе устройства.