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Verfahren und Anordnung zur Regelung der mittels einer Gleichspannung
steuerbaren Verstärkung eines Verstärkers für elektrische Signale Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der mittels einer Gleichspannung
steuerbaren Verstärkung eines Verstärkers für elektrische Signale. Steuerbare Verstärker
dieser Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei Verstärkern mit Elektronenröhren
läßt sich die Steilheit der Anodenstrom-Gitterspannungskennlinie und damit die Verstärkung
der Röhre durch Anlegen verschieden hoher Vorspannungen für das Steuergitter der
Röhre ändern. Anordnungen zur Verstärkungsregelung bei Transistoren durch Verlagerung
des Arbeitspunktes in Kennlinienteilen verschiedener Steilheit sind ebenfalls bekanntgeworden.
Infolge der Krümmung der Kennlinien derartig gesteuerter Verstärker ist die Verstärkung
von der Amplitude des zu verstärkenden Signals abhängig. In manchen Fällen läßt
sich der dadurch bedingte Signalfehler (differentielle Verstärkung) auch durch Verkleinerung
der Amplitude des Signals nicht ausreichend vermindern, z. B. bei Farbbildsignalen.
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Es sind auch schon Anordnungen mit steuerbarer Verstärkung bekannt,
bei denen die Verstärker stets auf dem gleichen Arbeitspunkt am linearen Teil ihrer
Kennlinien arbeiten und die Verstärkung der Anordnung durch Ändern des Widerstandswertes
eines ohmschen Widerstandswertes vorgenommen wird. Um die Änderung des Widerstandswertes
durch eine Gleichspannung vornehmen zu können, die auch eine Fernbedienung ermöglicht,
wird als steuerbarer Widerstand ein Photowiderstand verwendet. Dieser besteht aus
einem Halbleiter, der auf Grund des inneren Photoeffektes die Eigenschaft hat, seinen
Widerstand in Abhängigkeit von der Intensität des auf den Widerstand fallenden Lichtes
zu verändern. Benutzt man zur Beleuchtung des Widerstandes eine elektrische Lampe,
so kann man deren Lichtstärke und somit die Größe des Photowiderstandes in einfacher
Weise durch Ändern des Lampenstromes verändern. Der in der Regel im Signalstromkreis
liegende Widerstand und der Lampenstromkreis sind bei einer solchen Anordnung vollständig
getrennt, und bei Speisung der Lampe mit Gleichstrom kann auch eine Fernsteuerung
der Verstärkungsänderung über Gleichstromleitungen erfolgen.
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Wegen dieser Vorzüge wird die gleichspannungsgesteuerte, fernbedienbare
Verstärkungsänderung mit Photowiderstand im zunehmenden Maß angewendet, und es sind
bereits dafür geeignete Kombinationen von Photowiderstand und Beleuchtungsquelle
in gemeinsamem Gehäuse- erhältlich.
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Infolge des geringen Abstands zwischen Beleuchtungsquelle und. Photowiderstand
ist es unvermeidlich, daß der Photowiderstand durch die Beleuchtungsquelle, in der
Regel eine Glühlampe, aufgeheizt wird und damit seinen Widerstandswert verändert.
Entsprechend der Wärmeträgheit des Photowiderstandes erstreckt sich dieser Vorgang
über eine Zeit von mehreren Sekunden. Ferner ist der Widerstandswert des Photowiderstandes
auch von der Umgebungstemperatur abhängig. In vielen Fällen wird an eine gleichstromgesteuerte,
fernbedienbare Verstärkungsregelung die Forderung gestellt, daß die Regelung ohne
störende Zeitverzögerung, z. B. in weniger als 0,2 Sekunden, erfolgen und der eingestellte
Verstärkungswert konstant bleiben soll. Eine Kontrolle der Verstärkung durch Messung
der Ausgangsamplitude ist nicht immer möglich, z. B. dann nicht, wenn die Amplitude
des Signals durch die übertragene Information verändert wird. Dies ist bei der Übertragung
von Fernsehsignalen der Fall, da diese nicht die maximale Amplitude für Bildweiß
erreichen, wenn das zu übertragende Fernsehbild keine weißen Bildstellen enthält.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen zur Konstanthaltung
oder Regelung der Verstärkung eines Verstärkers dem Nutzsignal ein Hilfssignal,
welches mit seiner Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs des Nutzsignals liegt,
zugefügt wird. Bei einer dieser bekannten Schaltungsanordnungen ist die Hilfsspannung
stets größer als die Nutzspannung, da sonst die Nutzspannung die regelnde Funktion
übernehmen würde. Bei einer weiteren bekannten Schaltungsanordnung wird die vom
Ausgang des Verstärkers abgenommene Hilfsspannung gleichgerichtet und die entstandene
Gleichspannung mit einer anderen Gleichspannung verglichen, die durch Gleichrichtung
einer weiteren., unmittelbar von der Hilfsspannungsquelle gelieferten Spannung gebildet
wird. Eine
Weiterbildung dieser bekannten Schaltungsanordnung besteht
darin, den Verstärker selbstschwingend auszulegen, wodurch sich ein zusätzlicher
I-Elfsspannungsgenerator erübrigt. Diese selbstschwingenden Verstärker sind jedoch
nicht für die übertragung von Fernsehsignalen geeignet.
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Der Erfindung- liegt die-Aufgabe zugrunde, die Verstärkung eines -mittels
einer Gleichspannung steuerbaren Verstärkers unabhängig von der Art des zu verstärkenden
Signals rasch und genau auf den durch die Steuerspannung gegebenen Wert zu bringen.
Dabei soll der Verstärker möglichst keine Linearitätsfehler aufweisen.
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Bei--einem Verfahren- zur-Regelung -der mittels einer Gleichspannung
steuerbaren Verstärkung eines Verstärkers für elektrische Signale, bei welchem dem
zu verstärkenden elektrischen Signal (Nutzsignal) ein Hilfssignal, vorzugsweise
eine Wechselspannung mit einer außerhalb des Frequenzbereiches des Nutzsignals liegenden
Frequenz, überlagert, das Signalgemisch aus Nutzsignal und Hilfssignal dem Eingang
des steuerbaren Verstärkers zugeführt und von diesem verstärkt wird, wird erfindungsgemäß
das Hilfssignal vom Signalgemisch in einer Frequenzweiche abgetrennt und aus dem
Hilfssignal eine seiner Amplitude proportionale Gleichspannung abgeleitet, die so
erhaltene Gleichspannung mit einer vorbestimmten Gleichspannung verglichen und mit
der vorzugsweise verstärkten Differenzspannung der Verstärker im Sinn einer Verringerung
der Spannungsdifferenz geregelt.
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Zur Änderung der Verstärkung des Verstärkers kann die Höhe der vorbestimmten
Gleichspannung verändert, oder es kann bei konstantgehaltener, vorbestimmter Gleichspannung
die Amplitude des Hilfssignals verändert werden.
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Die Erfindung soll numriehr mit Hilfe der Ausführungsbeispiele darstellenden
Figuren genauer erläutert werden. Von diesen zeigt F i g. 1 das Blockschaltbild
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anordnung, bei welcher die
Änderung der Verstärkung durch Ändern der vorbestimmten Gleichspannung vorgenommen
wird, F i g. 2 eine =ähnliche: Anordnung mit Änderung der Verstärkung durch Änderung
der Amplitude .-des Hilfssignals, : . .- - - . -F i g. 3 die Schalturig -eines ausgeführten
Regelvers stärkers mit Transistoren für Fernsehsignale; bei welchen die Änderung
der Verstärkung mittels eines mit einer Glühlampe kombinierten Photowiderstandes
erfolgt.
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In F i g. 1 gelangt das bei 1 der Anordnung zugeführte Signal, z.
B. ein Fernsehsignal, in eine Addierstufe 2, der außerdem ein Hilfssignal zugeführt
wird. Das Hilfssignal, im Fall eines Fernsehsignals beispielsweise eine Wechselspannung
mit einer Frequenz von 15 MHz, wird im Hilfssignalgenerator 3 erzeugt. Die beiden
Signale werden in der Addierstufe 2 additiv überlagert und gemeinsam dem Regelverstärker
4, dessen Verstärkung durch eine angelegte Gleichspannung steuerbar ist, zugeführt.
Das Signalgemisch durchläuft den Regelverstärker 4 und wird von diesem verstärkt.
Dies setzt voraus, daß auch das Hilfssignal in den Frequenzbereich des Regelverstärkers
fällt. Das verstärkte Signalgemisch gelangt anschließend zu einer Frequenzweiche
5, welche das Nutzsignal vom Hilfssignal trennt. Das Nutzsignal kann am Ausgang
6- der . Ahbrdnung- abgenommen werden. In der Einrichtung 7, z. B. einem Spitzengleichrichter,
wird aus dem Hilfssignal eine diesem proportionale Gleichspannung erzeugt. Diese
wird in einem Differenzverstärker.8 mit einer vorbestimmten Gleichspannung verglichen,
deren Größe durch ein Potentiometer 11 einstellbar ist. Die Differenz der durch
Gleichspannung des Hilfssignals gewonnenen Gleichspannung und der mittels des Potentiometers
11 eingestellten konstanten Gleichspannung wird nach Verstärkung als Regelspannung
dem geregelten Verstärker 4 zugeführt und ändert dessen Verstärkung im Sinn einer
Verringerung der Spannungsdifferenz. -Die Regelung ist also bestrebt; die Ausgangsspannung
des Regelverstärkers für das Hilfssignal und damit auch die Verstärkung für das
Nutzsignal konstant zu halten. Die Änderung der fernbedienbar eingestellten Verstärkung
ist um so geringer, je höher die Verstärkung im Regelkreis ist. Es- ist daher günstig,
dem Differenzverstärker eine möglichst hohe Verstärkung-zu geben.
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Um die Höhe der Ausgangsspannung bzw. die Verstärkung des Regelverstärkers
zu ändern, kann nach F i g. 1 die Vergleichsspannung für den Differenzverstärker
8 auf verschiedene Größe gebracht werden. Hierzu kann z. B. nach F i g. 1 eine veränderliche
Teilspannung einer konstanten Gleichspannung mittels des Potentiometers 11 hergestellt
und dem Differenzverstärker zugeführt werden.
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Statt den Sollwert der Verstärkung durch Änderung der Vergleichsspannung
für den Differenzverstärker 8 einzustellen, kann der Sollwert auch bei konstant
gehaltener Gleichspannung durch Ändern der Amplitude des Hilfssignals eingestellt
werden, wie dies in der Anordnung nach der F i g. 2 dargestellt ist. Diese entspricht
im wesentlichen der Anordnung nach F i g. 1 mit dem Unterschied, daß die Vergleichsspannung
für den Differenzverstärker 8 nicht einstellbar ist, sondern von einem festen Spannungsteiler
12, 13 bestimmt wird. Um den Sollwert der Verstärkung zu beeinflussen, ist
die Amplitude des Hilfssignals veränderlich, indem z. B. dem Hilfssignalgenerator
3 eine durch ein Potentiometer 14
einstellbare Betriebsspannung zugeführt
wird. Der Hilfssignalgenerator 3 ist hierzu derart auszuführen, daß sich die Amplitude
der von ihm erzeugten Schwingung möglichst proportional mit der Betriebsspannung
für den Oszillator ändert. Die vom Potentiometer 14 abgenommene, veränderbare Betriebsspannung
ist durch einen Kondensator 15 für Hochfrequenz überbrückt.
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F i g. 3 zeigt ein Beispiel für die praktische Ausführung eines nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden geregelten Verstärkers für Fernsehsignale.
Das dem Verstärker bei 21 zugeführte Fernsehsignal gelangt über ein Kopplungsglied,
bestehend aus dem Kondensator 22 und dem Ableitwiderstand 23, zur Basis eines
Transistors 24, der als Impedanzwandler geschaltet ist. Der Kollektor des
Transistors liegt über einer Diode 25 am positiven Pol der gegenüber dem Erdpotential
symmetrischen Betriebsstromquelle. Vom niederohmigen Emitterkreis mit dem Emitterwiderstand
26 wird das Fernsehsignal einem Widerstandsnetzwerk zugeführt, mit dem die überlagerung
des Hilfssignals zum Fernsehsignal vorgenommen wird. Der Hilfssignalgenerator 30
erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz von z. B. 15 MHz mit Hilfe eines
Transistors in Rückkopplungsschaltung.
Die Frequenz der Hilfsschwingung
ist durch den Resonanzkreis mit der Spule 32 und dem Kondensator 33 bestimmt.
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Der geregelte Verstärker besteht aus den beiden Transistoren
39, 40 mit den Emitterwiderständen 42,
42; die Emitter sind
über einen Photowiderstand 43
miteinander verbunden. Der Photowiderstand 43
wird durch eine Glühlampe 44 beleuchtet. Seine Größe ist von der Beleuchtungsstärke
und damit von dem durch die Glühlampe fließenden Strom abhängig.
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Der Basis des ersten Transistors 39 der regelbaren Verstärkerstufe
wird einerseits das Videosignal über den Widerstand 28 und andererseits das Hilfssignal
von einer Anzapfung der Spule 32 über den Widerstand 38 zugeführt. Die Widerstände
37, 29, 28, 39 bilden einen Spannungsteiler zwischen dem positiven Pol der Betriebsstromquelle
und der geerdeten Bezugsleitung, welcher für die richtige Vorspannung an der Basis
des Transistors 39 sorgt. Durch den Justierwiderstand 36 läßt sich diese Vorspannung
auf den genauen gewünschten Wert bringen.
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Das der Basis des Transistors 39 zugeführte Summensignal wird in 'dem
Regelverstärker mit den emittergekoppelten Transistoren 39, 40 verstärkt. Beide
Emitter weisen das gleiche Gleichspannungspotential auf, das mit dem Regelwiderstand
36 eingestellt wird. Durch den Photowiderstand 43 fließt also kein Gleichstrom.
Die Regelung durch Änderung des Widerstandswertes des Photowiderstandes 43 erfolgt
daher gleichstromstoßfrei, ohne Veränderung der Arbeitspunkte der Verstärkertransistoren
39 und 40. Im Ausgang des Regelverstärkers am Kollektor des Transistors
40 wird das Summensignal abgenommen. Das Hilfssignal wird durch einen auf
die Frequenz des Hilfssignals abgestimmten Reihenresonanzkreis mit dem Kondensator
45 und der Induktivität 46 ausgekoppelt und dem Emitterkreis eines Transistors 47
mit dem Emitterwiderstand 48 zugeführt. Im Kollektorkreis des Transistors 47 ist
ein auf die Frequenz des Hilfssignals von z. B. 15 MHz abgestimmter Resonanzkreis
mit der Spule 48 und dem Kondensator 49 geschaltet. An den Resonanzkreis ist über
einen Koppelkondensator 50 ein Spitzengleichrichter, bestehend aus den beiden
Dioden 51 und 52, angeschlossen. Zu der Ausgangsspannung des Gleichrichters wird
eine feste Gleichspannung entgegengesetzter Polarität addiert, die mittels eines
Spannungsteilers aus den Widerständen 53, 54 vom negativen Pol der Betriebsspannungsquelle
abgeleitet wird. Die Differenzspannung wird vom Transistor 55 verstärkt und die
verstärkte Spannung im Kollektorkreis des Transistors 55 einem weiteren,- als Impedanzwandler
wirksamen Transistor 56 zugeführt, der die Glühlampe 44 zur Beleuchtung des Photowiderstandes
43 speist.
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Das vom geregelten Verstärker abgegebene Signal gelangt schließlich
zu einem als Impedanzwandler geschalteten Transistor 60, in dessen Ausgangskreis
ein auf die Frequenz des Hilfssignals abgestimmter Sperrkreis 61, 62 angeordnet
ist. Vom Emitterkreis des Transistors 60 wird das Signal einer weiteren, als Impedanzwandler
wirkenden Transistorstufe 63 zugeführt und am Emitterwiderstand 64 dieser Stufe
über die Ausgangsleitung 65 abgenommen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den Aufbau von über Gleichstromleitungen
fernbedienbaren geregelten Verstärkern, die sich insbesondere für Fernsehsignale
eignen. Die sich einstellende Verstärkung entspricht mit hoher Genauigkeit dem eingestellten
Sollwert und ist unabhängig von Änderungen der Bauelemente. In Verbindung mit einem
durch einen Photowiderstand geregelten Verstärker weist der Verstärker eine hohe
Linearität bei jeder eingestellten Verstärkung auf. Die Verstärkung ist daher stets
amplitudenunabhängig, und ein geregelter Verstärker der beschriebenen Art ist daher
auch besonders für Farbfernsehsignale geeignet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verstärkungsregelung bietet auch
dann große Vorteile, wenn mit Hilfe eines gemeinsamen Bedienorgans die Verstärkung
mehrerer Kanäle völlig gleichlaufend geregelt werden soll. Dies ist z. B. in der
Farbfernsehtechnik häufig der Fall, um drei Farbwertsignale getrennt, aber mit einem
gemeinsamen Steuerorgan genau gleichartig zu regeln.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern kann beliebige Ausgestaltungen erfahren, die im Rahmen fachmännischen
Könnens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen.