CZ2013149A3

CZ2013149A3 - Korektor amplitudově kmitočtové charakteristiky

Info

Publication number: CZ2013149A3
Application number: CZ2013-149A
Authority: CZ
Inventors: Julius Foit
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-08-27
Also published as: CZ304678B6

Abstract

Svorka vstupního napětí (u.sub.11.n.) korektoru je spojena s jedním koncem druhého rezistoru (R2) a s jedním koncem šestého rezistoru (R6), jehož druhý konec je připojen na neinvertující vstup druhého operačního zesilovače (OZ2). Na tento vstup je zároveň připojen jeden konec sedmého rezistoru (R7), jehož druhý konec je spojen se společným vodičem. K invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače (OZ2) je připojen jedním koncem pátý rezistor (R5), jehož druhý konec je spojen s výstupem tohoto druhého operačního zesilovače (OZ2), který je výstupem korektoru. K invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače (OZ2) je dále připojen jeden konec čtvrtého rezistoru (R4), jehož druhý konec je připojen na výstup prvního operačního zesilovače (OZ1), kam je rovněž připojen jeden konec třetího rezistoru (R3). Jeho druhý konec je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače (OZ1) a s druhým koncem druhého rezistoru (R2). Mezi první konec druhého rezistoru (R2) a společný vodič je k neinvertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače (OZ1) připojen společný bod prvního rezistoru (R1) a kapacitoru (C1) tvořících RC článek. V případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem +20 dB/dek je první rezistor (R1) zapojen mezi první konec druhého rezistoru (R2) a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) a kapacitor (C1) je zapojen mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) a společný vodič. V případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem -20 dB/dek jsou tyto prvky zapojeny opačně. Pro hodnoty odporů jednotlivých rezistorů platí R2=R3, R4=R5 a R6=R7.

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká korektorů amplitudově kmitočtových charakteristik při zpracovávání širokospektrálních analogových signálů.

Dosavadní stav techniky:

V obvodech pro zpracování širokospektrálních analogových signálů se pro korekce průběhu amplitudových kmitočtových charakteristik standardně užívá pasivních nebo aktivních RC, RL nebo RLC obvodů s minimální fází, tj. obvodů, v nichž fázové kmitočtové charakteristiky nejsou konstantní. Výsledkem je tvarové zkreslení průběhu přechodových jevů v signálu, závislé na strmosti průběhu amplitudové kmitočtové charakteristiky v rozsahu kmitočtového spektra daného přechodového jevu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje korektor amplitudově kmitočtové charakteristiky podle předkládaného řešení. Jeho podstatou je, že svorka vstupního napětí je spojena s jedním koncem druhého rezistoru a s jedním koncem šestého rezistoru. Druhý konec šestého rezistoru je připojen na neinvertující vstup druhého operačního zesilovače, na který je zároveň připojen jeden konec sedmého rezistoru. Druhý konec sedmého rezistoru je spojen se společným vodičem. K invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače je připojen jedním koncem pátý rezistor, jehož druhý konec je spojen s výstupem tohoto druhého operačního zesilovače, který je zároveň výstupem celého korektoru. Zároveň je k invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače připojen jeden konec čtvrtého rezistoru, jehož druhý konec je připojen na výstup prvního operačního zesilovače, kam je rovněž připojen jeden konec třetího rezistoru. Druhý konec třetího rezistoru je spojen jednak s invertujícím *

vstupem prvního operačního zesilovače a jednak s druhým koncem druhého rezistoru. Mezi první konec druhého rezistoru a společný vodič je k neinvertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače připojen společný bod prvního rezistoru a kapacitoru, které tvořící RC článek. V případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem +20 dB/dek je mezi první konec druhého rezistoru a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače zapojen první rezistor a mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače a společný vodič je zapojen kapacitor. V případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem -20 dB/dek je zapojení opačné, tedy mezi první konec druhého odporu a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače je zapojen kapacitor a mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače a společný vodič je zapojen první rezistor. V obou případech pak musí být splněna podmínka, aby se rovnaly hodnoty odporu druhého a třetího rezistoru, dále čtvrtého a pátého rezistoru a rovněž tak i šestého a sedmého rezistoru.

Takto realizované korektory odstraňují problém dosavadních korektorů tím, že pracují na principu obvodů s neminimální fází a tak vytvářejí amplitudovou charakteristiku kmitočtově závislou, přičemž fáze signálu zůstává kmitočtově nezávislá.

Objasnění výkresů

Korektor amplitudově kmitočtové charakteristiky podle předkládaného řešení bude dále popsán pomocí výkresů. Obr. 1 ukazuje obvod se sklonem amplitudové kmitočtové charakteristiky +20 dB/dek a Obr.2 ukazuje obvod se sklonem amplitudové kmitočtové charakteristiky -20 dB/dek. Na Obr. 3 a 4 jsou uvedeny příklady průběhů amplitudových kmitočtových charakteristik ve vazbě na zapojeni dle '7

Obr.jl respektive dle Obr. 2. Obrázek 5 ukazuje jednu z možných aplikací korektoru, a to obvod pro fyziologickou regulaci hlasitosti zvuku a na obrázku 6 je uveden příklad charakteristik fyziologického regulátoru, jehož elektrické schéma je uvedeno v obrázku 5.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na Obr. 1 je uvedeno zapojení korektoru KV s amplitudovou kmitočtovou charakteristikou se sklonem +20 dB/dek a s konstantní fází. Vstupní napětí un je vstupním vodičem X přivedeno na spoj jednoho konce prvního rezistoru R1, jednoho konce druhého rezistoru R2 a jednoho konce šestého rezistoru R6. Druhý konec prvního rezistoru R1 je přiveden na neinvertující vstupní svorku prvního operačního zesilovače OZ1, ke které je připojen i jeden konec kapacitoru Cl. Druhý konec kapacitoru Cl. je spojen se společným vodičem. Druhý konec druhého rezistoru R2 je připojen k invertující vstupní svorce prvního operačního zesilovače OZ1, ke které je zároveň připojen jeden konec třetího rezistoru R3. Druhý konec třetího rezistoru R3 je připojen k výstupní svorce prvního operačního zesilovače QZ1, ke které je zároveň připojen jeden konec čtvrtého rezistoru R4. Druhý konec čtvrtého rezistoru R4 je spojen s invertující vstupní svorkou druhého operačního zesilovače OZ2, ke které je zároveň připojen jeden konec pátého rezistoru R5. Druhý konec pátého rezistoru R5 je spojen s výstupní svorkou druhého operačního zesilovače OZ2, z níž se zároveň odebírá výstupním vodičem Y výstupní napětí U22. Druhý konec šestého rezistoru R6 je spojen s neinvertující vstupní svorkou druhého operačního zesilovače OZ2, ke které je zároveň připojen jeden konec sedmého rezistoru R7. jehož druhý konec je spojen se společným vodičem.

V případě korektoru KH s amplitudovou kmitočtovou charakteristikou se sklonem -20 dB/dek a s konstantní fází, Obři, je zapojení zcela analogické a liší se pouze v zapojení RC článku, tvořeného prvním rezistorem R1 a kapacitorem Cl. Zde je kapacitor C1 připojen mezi první konec druhého odporu R2 a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače QZ1 a první rezistor R1 je zapojen mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače OZ1 a společný vodič. Vzhledem k příkladu realizace uvedeného korektoru je na Obr.2 vstupní vodič označen jako W a výstupní , Λ vodič jako Z.

V obou případech zapojení pak platí, že hodnota odporu druhého rezistoru R2 je shodná s hodnotou odporu třetího rezistoru R3, hodnota odporu čtvrtého rezistoru R4 je shodná s hodnotou odporu pátého rezistoru R5 a hodnota odporu šestého rezistoru R6 je shodná s hodnotou odporu sedmého rezistoru R7.

Korektory pracují na principu lineární superpozice neupraveného vstupního signálu a invertovaného vstupního signálu zpracovaného kmitočtově závislým fázovým posouvačem tvořeným prvním rezistorem RI, kapacitorem Cl, prvním operačním zesilovačem OZ1, druhým rezistorem R2 a třetím rezistorem R3, který nemění amplitudu signálu v závislosti na kmitočtu. Takové posouvače se v literatuře často označují termínem „all-pass“. Protože v obvodě podle Obr. 1 je napěťové zesílení druhého operačního zesilovače OZ2 z jeho neinvertující vstupní svorky při shodných hodnotách odporu čtvrtého rezistoru R4 a pátého rezistoru R5 rovné A_u = +2, je pro přesné odečtení amplitud obou jeho vstupních signálů zapotřebí nutné neupravené vstupní napětí Un zmenšit na polovinu, z čehož vychází podmínka pro shodné hodnoty odporu šestého rezistoru R6 a sedmého rezistoru R7. Výsledkem této superpozice je nulová amplituda výstupního signálu u?? na kmitočtu, na kterém jsou oba signály ve fázi, tj. na kmitočtu, na kterém fázový posouvač fázi neposouvá, a maximální amplituda výstupního signálu u?? na kmitočtu, na kterém fázový posouvač posunul fázi vstupního signálu o polovinu periody, tj. o 180°. V rozmezí kmitočtů mezi těmito krajními hodnotami má amplitudová kmitočtová charakteristika přenášeného signálu sklon 20 dB na dekádu, buďto stoupající, nebo klesající, podle směru, kterým fázový posouvač mění fázi signálu v závislosti na kmitočtu, tj podle charakteru kmitočtově závislého článku RC ve fázovém posouvači, viz Obr. l a Obr.2. Korektory tedy mají elektrické zapojení zcela totožné, s jedinou výjimkou RC článku, jehož uspořádání rozhoduje o charakteru fázového posouvače.

Na Obr. 3 a 4 jsou uvedeny příklady průběhů amplitudových kmitočtových */ charakteristik ve vazbě na zapojení dle Obr.h respektive dle Obr. 2.

Čára označená na Obr. 3 jako KV(1) přísluší obvodu z Obr. 1 se sklonem amplitudové kmitočtové charakteristiky +20 dB/dek, čára KV(2) je pro sklon +40 dB/dek, tedy při zapojení dvou identických obvodů v kaskádě a čarou vstup je naznačeno nekorigované vstupní napětí u^

Obdobně pak na Obr. 4, který přísluší obvodu z Obr. 2, náleží čára označená KH(1) sklonu amplitudové kmitočtové charakteristiky -20 dB/dek, čára KH(2) obvodu se sklonem -40 dB/dek, tedy pro zapojení dvou identických obvodů v kaskádě a čára s označením „vstup“ udává nekorigované vstupní napětí u^.

Z obrázků 3 a 4 je zřetelně vidět, že korektory udržují sklon charakteristik +20 dB/dek, +40 dB/dek, případně -20 dB/dek a -40 dB/dek v rozmezí podstatně větším než tří dekád.

Hodnoty odporu všech rezistoru v obvodech podle příkladů na Obr. 1 a Obr. 2 jejichž vlastnosti ukazují charakteristiky v obrázcích 3 a 4 jsou 10 kQ, kapacitor Cl. v Obr. 1 má hodnotu C1 = 220 pF a v provedení dle Obr. 2 má hodnotu C2 = 4,7 pF. Je-li požadován ještě větší sklon amplitudové kmitočtové charakteristiky, je beze všeho možné spojovat do kaskády ještě větší počet korektorů, a kmitočtovou polohu charakteristik ukázaných v Obr. 3 a Obr. 4 lze změnit změnou hodnoty časové konstanty R1C1 v obvodu podle Obr. 1, respektive v Obr.2.

Na Obr. 7 je uveden příklad konkrétní aplikace výše popsaných korektorů. A to v zapojení regulátoru hlasitosti. Pro větší přehlednost je pro korektory s konstantní fází použito zjednodušeného zobrazení korektorů, kdy jednu větev tvoří kaskáda korektorů KV (1), KV(2) a (KV3) amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem +20 dB/dek se vstupními vodiči X(1) až X(3) a výstupními vodiči Y(1) až Y(3) a druhou větev tvoří kaskáda korektorů KH (1), KH(2) a KH(3) amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem -20 dB/dek a se vstupními vodiči W(1) až W(3) a výstupními vodiči Z(1) až Z(3). Vnitřní zapojení korektorů KV, respektive KH, je totožné s popisem obvodů podle Obr. 1 respektive Obr. 2.

Regulaci hlasitosti provádí potenciometr 100. Jeho detailní provedení může být různé: buď může mít tvar klasického spojitě proměnného potenciometru s běžcem a s odbočkami vytvořenými podél jeho odporové dráhy, jak je uvedeno v Obr. 7, nebo může mít tvar potenciometru stupňového, tedy složeného ze sériově spojených diskrétních rezistorů, jejichž spoje jsou vedeny na kontakty přepínače, a některé z nich současně slouží jako odbočky. Takový přepínač může být realizován jako mechanický, nebo jako elektronický, ovládaný elektrickým řídicím signálem. Průběh změny odporu v závislosti na poloze běžce, respektive přepínacího kontaktu, může být lineární i nelineární. Pro regulaci hlasitosti se zpravidla žádá průběh změny amplitudy výstupního signálu ve středu spektra zpracovávaného signálu v závislosti na poloze běžce, respektive přepínacího kontaktu, v souladu s Weber-Fechnerovým zákonem, tedy logaritmický; toho lze dosáhnout vhodným stupňováním změn odporu v závislosti na poloze běžce nebo přepínacího kontaktu. V praxi nejčastější řešení však užívá jak u spojitého, tak u stupňového potenciometru průběhu změn odporu lineárního, a aproximace logaritmického průběhu regulace přemostěním odboček potenciometru ke společnému vodiči pomocnými pevnými rezistory, které mají hodnoty odporu zhruba o řád menší, než úseky potenciometru, přilehlé kdané odbočce. Toto řešení dovoluje snadnější a přesnější technologickou realizaci jak samotného potenciometru, tak i k odbočkám připojeným obvodům pro korekci kmitočtového průběhu výstupního signálu na horním i dolním okraji kmitočtového spektra zpracovávaného signálu.

Obvod podle obr. 7 počítá s užitím lineárního potenciometru 100, takže je pro logaritmický průběh regulace ve středu kmitočtového pásma je zapotřebí kjeho odbočkám připojit proti společnému vodiči rezistory s vhodnou hodnotou, a zároveň i signály korektorů, upravující kmitočtovou charakteristiku do požadovaného tvaru, tj. podle křivek stejné hlasitosti ISO226, Fletcher-Munson, Robinson-Dadson, případně jiné. Oba tyto úkoly provádí superpoziční odporová síť 200. Příklad průběhu aproximovaných charakteristik ukazuje Obr. 6.

Nejvyšší výstupní napětí regulátoru hlasitosti 100, označené v Obr. 6 vstup, nemá kmitočtovou charakteristiku korigovánu podle křivek stejné hlasitosti ISO226, Fletcher-Munson, Robinson-Dadson, případně jiné, protože v praktické aplikaci regulátorů hlasitosti se předpokládá, že kmitočtová amplitudová charakteristika širší soustavy, jejíž částí regulátor hlasitosti vždy je, má pro maximální hlasitost už kmitočtové charakteristiky ostatních částí nastaveny do optimálního tvaru podle konkrétních poslechových podmínek dané elektroakustické soustavy. Kmitočtově upravovat je tedy zapotřebí pouze charakteristiky pro nastavení hlasitosti menší než maximální.

Korekce průběhu kmitočtových amplitudových charakteristik pro menší než maximální hlasitost zde provádí celkem 6 korektorů: tři kaskádně spojené korektory vysokých tónů KV(1), KV(2), KV(3), a tři kaskádně spojené korektory hlubokých tónů KH(1). KH(2), KH(3). Výstupy korektorů KV(1) a KH(1) vytvářejí kmitočtové charakteristiky se sklonem ±20 dB/dek a jsou prostřednictvím odporové sítě R10, R20. R30 připojeny k odbočce V(2). Výstupy korektorů KV(2) a KH(2) vytvářejí kmitočtové charakteristiky se sklonem ±40 dB/dek a jsou prostřednictvím odporové sítě R40, R50, R60 připojeny k odbočce V(3). Výstupy korektorů KV(3) a KH(3) vytvářejí kmitočtové charakteristiky se sklonem ±60 dB/dek a jsou prostřednictvím odporové sítě R70, R80, R90 připojeny k odbočce V(4). Hodnoty odporu rezistorů R10 až R90 jsou nastaveny tak, aby jednak vytvářely aproximaci logaritmického průběhu regulace amplitudy ve středu kmitočtového pásma zpracovávaného signálu, jednak aby do odboček V(2) až V(4) potenciometru 100 superponovaly potřebný kmitočtově korigovaný díl vstupního napětí Vin a tak aproximovaly požadovaný tvar křivek stejné hlasitosti.

V případě, že jsou žádoucí méně strmé sklony konečných kmitočtových amplitudových charakteristik, je možné kaskády korektorů KV a KH zkrátit na menší počet členů, a superpoziční odporové sítě R10 až R90 připojit k odpovídajícím výstupům korektorů paralelně.

Průmyslová využitelnost

Obvody korektorů podle vynálezu lze využít ve všech oborech elektronického zpracování analogových signálů, jako je automatizační technika, zpracování dat z analogových senzorů, elektroakustika a podobných.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

Korektor amplitudově kmitočtové charakteristiky, vyznačující se tím, že svorka vstupního napětí (un) je spojena s jedním koncem druhého rezistoru (R2) a s jedním koncem šestého rezistoru (R6), jehož druhý konec je připojen na neinvertující vstup druhého operačního zesilovače (OZ2), na který je zároveň připojen jeden konec sedmého rezistoru (R7), jehož druhý konec je spojen se společným vodičem a k invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače (OZ2) je připojen jedním koncem pátý rezistor (R5), jehož druhý konec je spojen s výstupem tohoto druhého operačního zesilovače (OZ2), který je zároveň výstupem celého korektoru, a zároveň je k invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače (OZ2) připojen jeden konec čtvrtého rezistoru (R4), jehož druhý konec je připojen na výstup prvního operačního zesilovače (OZ1), kam je rovněž připojen jeden konec třetího rezistoru (R3), jehož druhý konec je spojen jednak s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače (OZ1) a jednak s druhým koncem druhého rezistoru (R2), přičemž mezi první konec druhého rezistoru (R2) a společný vodič je k neinvertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače (OZ1) připojen společný bod prvního rezistoru (R1) a kapacitoru (C1) tvořících RC článek zapojený tak, že v případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem +20 dB/dek je mezi první konec druhého rezistoru (R2) a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) zapojen první rezistor (R1) a mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) a společný vodič je zapojen kapacitor (C1) a v případě korekce amplitudové kmitočtové charakteristiky se sklonem -20 dB/dek je mezi první konec druhého odporu (R2) a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) zapojen kapacitor (C1) a mezi neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OZ1) a společný vodič je zapojen první rezistor (R1), přičemž pro hodnoty odporů jednotlivých rezistoru platí R2=R3, R4=R5 a R6=R7.