自适应施密特触发器可驯服不规则信号

        在使用诸如生物医学仪器的过程中，我们有时需要在杂乱或不规则的信号中提取有效信息。本例中,需要对呼吸信号进行“整理”，而呼吸信号可以表现出幅度和频率的大范围变化，以及漂移的基线。本文介绍一个自适应的“超级施密特触发器”，它有许多可调参数，可以出色地驯服输入信号(图)。



触发器设计值所对应的预期输入范围为50mV~1V峰峰值和0.07Hz~2Hz频率。
U1和U2会检测输入端的正、负峰值，但不同于一般的检测器，它们还包括R1和R2以根据信号特征按需提供阻尼(毛刺抑制)。这些电路结构与R16联用可以控制峰值电压的衰减速度。这些检测器(由U3和U4进行缓冲)所跟踪的PP振幅既可以用来调节最终比较器U6的滞环，还可提供过零参考。
滞后调整是通过跨导运放器(OTA)U7来完成的。该运放器所用的芯片(原本是3080，但还包括类似LM13700的更现代的元件)主要将差动输入电压乘以单极偏置电流(如输入箭头所示)从而得出输出电流。在这种情况下，若输入电压达到饱和值(0.7V就足够了)，则OTA的作用更像是一个极性反转开关，将偏置电流镜像到输出端，并成为源流或沉流，这根据差动输入极性而定。输出电流在R13两端形成电压，而R13则根据电路输出的数字信号添加到输入信号中或从输入信号中去除。
U5实现了利用差动输入电流电压转换器驱动OTA的偏压输入(内部可参考负供电轨)。
U6为最终输出比较器，用于对输入信号±滞后和信号峰值之间的低通滤波器(LPF)中间点(跳线“A”)进行比较，或对输入信号±滞后和低通信号(跳线“B”)进行比较。比较方式是基于信号的特性进行选择，最后发现在跳线“A”的效果最好。
微调电容器R4用来设置静态滞后并补偿放大器的偏移。D6将U7的偏置输入值置于使用的运放器的输出范围内，而这些输入值范围可以根据具体使用的运放器和OTA进行删除或修改。假定电源“干净”且稳定。
细心的读者可能会问为什么不就地取材，使用OTA来替代U5VCCS电路。遗憾的是，这种情况已经存在了30年，具体原因还不太清楚。