-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verstärkung
eines gegebenenfalls mehrstufigen Verstärkers mit Hilfe eines hochfrequenten Regelsignals
sowie einer Rückkopplungsschleife. Ferner befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Es ist schon eine Vorrichtung bekanntgeworden (USA.-Patentschrift
3 083 341), die nach einem Verfahren der vorstehend erwähnten Art arbeitet, wodurch
der Verstärkungsfaktor mehrerer seismischer Verstärker geregelt wird. Soweit im
folgenden der Ausdruck »hochfrequent« benutzt wird, soll darunter eine Frequenz
verstanden werden, die wesentlich oberhalb des Nutzsignal-Frequenzbandes liegt.
-
Bei der bekannten Vorrichtung bereitet es Schwierigkeiten, den Verstärkungsgrad
in Abhängigkeit von der Zeit mit annehmbarer Genauigkeit zu verändern, und der Erfindung
liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesem Nachteil abzuhelfen. Ausgehend von einem
Verfahren der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß das Regelsignal und ein zu verstärkendes Nutzsignal addiert werden und
das Summensignal an den Eingang des Verstärkers gelegt wird und daß ferner das Regelsignal
nach Durchlaufen wenigstens eines Teiles der Verstärkerstufen vom Nutzsignal abgetrennt
und mit einer Bezugsspannung verglichen wird und daß schließlich ein vom Differenzsignal
zwischen verstärktem Regelsignal und Bezugsspannung abhängiges Rückkopplungssignal
in der Rückkopplungsschleife dazu verwendet wird, die Amplitude des verstärkten
Regelsignals konstant zu halten. Wie erwähnt, verwendet zwar auch die vörbekannte
Vorrichtung ein hochfrequentes Regelsignal zur Verstärkungsregelung, jedoch wird
dieses nicht zusammen mit dem zu verstärkenden Nutzsignal an den Eingang des Verstärkers
gelegt, wie dies bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist. Im Hinblick auf
die Exaktheit der Verstärkungsregelung ist daher das erfindungsgemäße Verfahren
demjenigen bei der bekannten Vorrichtung weit überlegen, denn es leuchtet ohne weiteres
ein, daß die Genauigkeit einer Regelung mit Hilfe eines Regelsignals dann am größten
ist, wenn dieses Regelsignal genauso wie das Nutzsignal verarbeitet wird. Ein weiterer
Vorteil liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Tatsache, daß bei ihm das
Regelsignal mit einer festen Bezugsspannung verglichen wird, was zu einer weiteren
Erhöhung der Regelgenauigkeit führt, da durch die Differenzbildung die relativen
Schwankungen des der Verstärkungsregelung dienenden Signals sehr viel größer werden
als ohne diesen Vergleich.
-
Zweckmäßigerweise wird als Bezugsspannung eine Gleichspannung verwendet;
die regelfrequente Ausgangsspannung wird dann genau auf einem bestimmten Wert bezüglich
der stabilen Bezugsgleichspannung gehalten, so daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
umgekehrt proportional zur Amplitude der hochfrequenten Regelspannung ist, die in
das Verstärkersystem eingeführt wird. Es ergibt sich so ein außerordentlich einfacher
Zusammenhang zwischen Verstärkungsfaktor und Regelsignal.
-
Eine hohe Ansprechgeschwindigkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung des geschilderten Verfahrens ergibt sich dann, wenn die Rückkopplungsschleife
von einem Lichtweg gebildet ist und am Ausgang einer Vergleichsschaltung zur Durchführung
des Vergleichs zwischen verstärktem Regelsignal und Bezugsspannung eine vom Differenzsignal
gesteuerte Lichtquelle vorgesehen ist, die ein Dämpfungsglied beleuchtet.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und/oder
aus der nachfolgenden Beschreibung, die der Erläuterung der Zeichnung dient. Diese
zeigt die Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Ein Eingangssignal, wie z. B. das Signal aus einem Seismometer, wird
über die Leitung 12 an eine Summierschaltung 14 gelegt. Bei der Anwendung in der
Seismographie wird normalerweise ein Eingangsfilter und geeignetes Bandfilter (nicht
gezeigt) zwischen den Seismometer und die Summierschaltung 14 geschaltet. Eine hochfrequente
Regelspannungsquelle, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist außerdem
mit der Summierschaltung 14 verbunden, die beide Eingangsspannungen linear addiert.
Es kann für die Summierschaltung irgendeine bekannte Vorrichtung verwendet werden.
Die seismischen Frequenzen liegen im allgemeinen zwischen 5 und 300 Hz, und die
Regelspannungsfrequenz kann irgendeine Frequenz sein, die wesentlich oberhalb dieser
Frequenzen liegt. In einem Ausführungsbeispiel wurde eine hochfrequente Regelspannung
von 3,25 kHz verwendet.
-
Das Ausgangssignal der Summierschaltung 14 wird an eine Reihe
von in Kaskade geschalteten Dämpfungsgliedern 18, 20 und 22 und an die Verstärker
24, 26 und 28 gelegt. Die Dämpfungsglieder 18, 20 und 22 sind gleich aufgebaut,
und jedes umfaßt einen Reihenwiderstand, nämlich die Widerstände 30, 32 und 34,
und veränderbare Nebenschlußwiderstände, wie die fotoleitenden Zellen
36, 38 und 40. Die Leitfähigkeit der fotoleitenden Zellen ändert sich
direkt mit ihrer Belichtung von einem sehr niederen auf einen sehr hohen Wert. Der
Betrag des Verstärkungsfaktors jedes Verstärkers 24, 26 und 28 wird
durch den höchsten Verstärkungsfaktor bestimmt, den die Vorrichtung aufweisen muß,
sowie durch die Verluste in den Dämpfungsgliedern und die Anzahl der in Kaskade
geschalteten Dämpfungs- und Verstärkungsstufen. Beim Ausführungsbeispiel hatte jeder
Verstärker einen Verstärkungsgrad von 32 db. Jeder dieser Verstärker 24, 26 und
28 sollte ebenfalls Begrenzervorrichtungen aufweisen, damit er durch Signale großer
Amplitude nicht übersteuert wird.
-
Außerdem sollten Begrenzer für die niederfrequente Grenzfrequenz für
jeden Verstärker vorhanden sein. Das Ausgangssignal des dritten Verstärkers 28 wird
einem Filter 42 zugeführt, das die hochfrequente Regelspannung aus dem Signal ausfiltert.
Das Ausgangssignal des Filters 42 wird einem Trennverstärker 44 zugeführt, der einen
Verstärkungsfaktor von 1, einen hohen Eingangswiderstand und genügend Ausgangsleistung
hat, um eine Last anzusteuern, die z. B. ein Magnettonaufzeichnungsgerät, ein Spiegelgalvanometer
od. dgl. sein kann.
-
Das Ausgangssignal des dritten Verstärkers 28 wird auch der Regelschleife
für den Verstärkungsfaktor zugeführt, die ein Filter 46 aufweist, das die niederfrequenten
seismischen Signale ausfiltert und den hochfrequenten Anteil der Verstärkungsfaktor-Regelspannung
durchläßt. Das Filter 46 muß gründlich alle Niederfrequenzsignale im Nutzfrequenzbereich
ausfiltern, sonst verzerren die Änderungen im Verstärkungsfaktor der Vorrichtung
die niederfrequenten Signale.
Das Ausgangssignal des Filters
46 wird einem Verstärker 48 zugeführt, der einen niederen Verstärkungsfaktor
hat, welcher durch den Betrag der hochfrequenten Spannungen bestimmt wird, der an
der Anschlußstelle 50 aufrechterhalten werden muß, sowie durch den Betrag der Bezugsgleichspannung,
die, wie später beschrieben wird, in der Regelschleife verwendet wird.
-
Beim Ausführungsbeispiel hatte die hochfrequente Regelspannung an
der Anschlußstelle 50 einen effektiven Wert von 1. Volt, die Bezugsgleichspannung
betrug -3 Volt, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 48 lag bei etwa
6 db. Das Ausgangssignal des Verstärkers 48, das ein Wechselstromsignal ist,
wird über einen Kondensator 51. an die Basis eines Transistors 52 gelegt. Der Transistor
52 bildet zusammen mit dem Transistor 58 einen Differenzverstärker, bei dem die
Basen beider Transistoren die Eingänge darstellen. über den Widerstand
54 wird eine negative Bezugsgleichspannung an die Eingänge des Differenzverstärkers
gelegt, da die Basis des Transistors 58 mit Erde verbunden ist. Eine in Sperrichtung
vorgespannte Diode 56 ist vorgesehen, damit der Differenzverstärker nicht übersteuert
werden kann. Der Kollektor des Transistors 52 ist über einen Widerstand 62 mit einer
positiven Stromversorgungsklemme +EB verbunden, und der Kollektor des Transistors
58 ist mit der Stromversorgung über den Widerstand 64 verbunden. Die Emitter
der Transistoren 52 und 58 sind mit einer Klemme negativer Spannung über einen veränderlichen
Widerstand verbunden, der die veränderlichen Widerstände 66 und 68 und eine
fotoleitende Zelle 70 umfaßt. Beim Ausführungsbeispiel war die Spannung der Stromversorgung
-f-12 und -12 Volt, bezogen auf Erde. Die Leitfähigkeit der fotoleitenden Zellen
ändert sich direkt mit der Lichtstärke, wobei die Leitfähigkeit ein Minimum ist,
wenn die Zelle im Dunkeln liegt, und wobei sie ein Maximum ist, wenn sie stark belichtet
wird. Die veränderlichen Widerstände 66 und 68 und die fotoleitende Zelle
70 regeln den Emitterstrom der Transistoren 52 und 58, wie später noch beschrieben
wird. Der Kollektor des Transistors 52 ist mit der Basis eines Transistors
60 verbunden. Der Kollektor des Transistors 60 ist mit der positiven Stromversorgungsklemme
+EB und der Emitter ist überden Widerstand 52 mit dernegativen Stromversorgungsklemme
-EB verbunden. Die Transistoren 52, 58 und 60 bilden einen vergleichenden Verstärker,
der Wechselspannung aus dem Verstärker 48 mit der Bezugsgleichspannung vergleicht
und ein Differenzsignal erzeugt, das mit der Differenz in Beziehung steht, wie im
folgenden noch genauer beschrieben wird.
-
Der Emitter des Transistors 60 ist wechselstrommäßig über einen
Kondensator 74 mit einem Verstärker76 verbunden, der den Verstärkungsgrad 1 aufweist
und dessen Ausgangsstrom so große ist, daß er eine Birne 78 zum Leuchten bringen
kann. Ein Widerstand 80 verbindet den Eingang des Verstärkers 76 mit Erde,
um so eine Eingangsspannung zu erzeugen. Die Birne 78 belichtet die fotoleitenden
Zellen 36, 38 und 40 der Dämpfungsglieder 18, 20 und 22 und die fotoleitende Zelle
70 des den Emitterstrom der Vergleicherschaltung regelnden Widerstandes. Wirkungsweise
Beim Betrieb der Vorrichtung 10 werden die hochfrequente Regelspannung und die Eingangssignal-Spannung
summiert und durch eine Reihe in Kaskade geschalteter Dämpfungsglieder und Verstärker
geschickt, in denen beide Frequenzen um das gleiche Maß verstärkt werden. Die Signalfrequenz
wird durch das Filter ausgesiebt und dem Ausgangsverstärker 44 zugeführt.
Die Hochfrequenz der Regelspannung wird durch das Filter 46 geschickt, durch
den Verstärker 48 verstärkt und an die Basis des Transistors 52 eines
Vergleicherverstärkers gelegt. Da die negative Bezugsspannung parallel zu den Eingängen
des Vergleicherverstärkers liegt und den Transistor 52 sperrt, so erzeugt der Vergleicherverstärker
keine Ausgangsspannung, es sei denn, daß die angelegte Wechselspannung die negative
Bezugsspannung übersteige, so daß die Basis des Transistors 52 in Leitrichtung vorgespannt
ist. Solange, wie die Basis des Transistors 52 negativ ist, ist die Kollektorspannung
des Transistors 52 im wesentlichen gleich der positiven Stromversorgungsspannung
+EB, so daß die Basis und der Emitter des Transistors 60 ebenfalls auf der
Spannung der Stromversorgung liegen. Wenn die positive Halbwelle der Hochfrequenzregelungsspannung
die negative Bezugsspannung übersteigt, so daß die Basis des Transistors 52 positiv
vorgespannt wird, leitet der Transistor 52, und sein Kollektor wird negativer,
so daß der Emitter des Transistors 60 ebenfalls negativ wird. Dadurch entsteht ein
negativer Impuls, der an den Verstärker 76 gelegt wird, der die Birne 78 ansteuert.
Die Birne 78 belichtet die fotoleitenden Zellen 36, 38 und 40, so
daß ihre Leitfähigkeit erhöht wird und dadurch die Dämpfung sowohl der niederen
als auch der hohen Frequenzen verstärkt wird. Indem nun die Amplitude der hochfrequenten
Steuerspannung an der Anschlußstelle 50 wächst, wächst auch das Differenzsignal
aus der Vergleicherschaltung, steigt die Leuchtkraft der Birne 78, steigt
die Leitfähigkeit der Zellen 36, 38
und 40 und steigt der Dämpfungsbetrag,
wodurch die Amplitude der hochfrequenten Steuerspannung an der Anschlußstelle
50 auf einem konstanten Betrag gehalten wird. Der gesamte Verstärkungsbetrag
der Verstärkungsvorrichtung, die aus den in Kaskade geschalteten Verstärkern und
Dämpfungsgliedern besteht, ist gleich der Ausgangsgröße dividiert durch die Eingangsgröße.
Wenn daher die Ausgangsspannung der hochfrequenten Regelspannung konstant gehalten
wird, so ist der Verstärkungsfaktor der Verstärkervorrichtung umgekehrt proportional
zur Amplitude der hochfrequenten Regelspannung am Eingang.
-
Wie man sieht, ist die Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung von
dem Maß abhängig, mit dem die Amplitude der hochfrequenten Regelspannung, die an
die Basis des Transistors 52 gelegt wird, die negative Bezugsgleichspannung übersteigt,
die an die Basis des Transistors über den Widerstand 54 gelegt wird. Die
Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung stellt somit eine Verstärkung der positiven
Spitzen der hochfrequenten Spannungswelle dar, deren Polarität wegen des Transistors
52 umgekehrt wird, so daß sich die Ausgangsspannung in Form einer Reihe von negativen
Impulsen darstellt. Da die hochfrequente Regelspannung eine Sinusspannung ist, so
ändern sich sowohl die Amplitude als auch beide Impulse in Abhängigkeit von der
Amplitude der positiven Spitzen der hochfrequenten Regelspannung. Wenn die Spitzen
der hochfrequenten Regelspannung die Bezugsgleichspannung um einen nennenswerten
Betrag
übersteigen, so begrenzt die Diode die Amplitude der Impulse, die dann breitenmoduliert
werden, je nach der Zeitspanne, in der die Spannungsspitzen die Bezugsspannung überschreiten.
Wenn auf der anderen Seite die Spitzen der hochfrequenten Regelspannung unterhalb
der negativen Bezugsgleichspannung bleiben, so erzeugt der Vergleicher keine Ausgangsspannung.
Beide Zustände sind gleitend. Normalerweise erhält man einen negativen Ausgangsimpuls
für jede positive Spitze, und Amplitude und Breite werden durch die Höhe der positiven
Spitze bestimmt, wobei der Vergleicherverstärker als Linearverstärker während des
Impulses arbeitet. Die Amplitude des Ausgangsimpulses aus dem Vergleicher kann trotzdem
relativ groß sein. Beim Ausführungsbeispiel können die Impulse 8 Volt übersteigen.
Beim Ausführungsbeispiel hat die Birne 78 eine Nennspannung von 2,7 Volt, so daß
etwa eine dreimal größere Spannung als die Endspannung und eine mehr als neunmal
größere Leistung als die Nennleistung an die Birne abgegeben werden können. Der
gesamte Mittelwert der Leistung der Impulse, der der Lampe zugeführt wird, überschreitet
nicht die Nennbetriebswerte der Lampe. Es sind jedoch geeignete Begrenzervorrichtungen
im Verstärker 76 vorgesehen, so daß die Durchschnittsleistung nicht über die Nennleistung
der Lampe steigen kann.
-
Wenn man die Birne mit hoher Spannung und Impulsen hoher Leistung
betreibt, so wird die Birne sehr schnell eingeschaltet. Man hat damit eine schnell
ansprechende Verstärkungsregelungsschleife geschaffen, da die einzigen auftretenden
Zeitkonstanten die Wärmezeitkonstante der Birne und die der fotoleitenden Zelle
der Dämpfungsglieder sind. Es werden fotoleitende Zellen hoher Grenzfrequenz verwendet,
so daß die einzige ins Gewicht fallende Zeitkonstante die Wärmezeitkonstante der
Birne 78 ist.
-
Beim Ausführungsbeispiel kann der Gesamtverstärkungsgrad über einen
Bereich von 100 db mit guter Genauigkeit geändert werden. Wenn die Vorrichtung mit
einem großen Verstärkungsgrad arbeitet, d. h. wenn die Birne 78 dunkel ist, so ist
der gesamte Verstärkungsgrad in der Verstärkungsregelungsschleife so groß, daß Instabilitäten
auftreten können, wenn z. B. ein an die Birne gelegter großer Impuls die Dämpfung
so vergrößert, daß der nächste der folgenden Impulse am Ausgang des Vergleicherverstärkers
gar nicht erscheint. Diese Schwierigkeit wird dadurch behoben, daß man den Verstärkungsfaktor
des Vergleicherverstärkers direkt mit seinem Verstärkungsfaktor durch ein Widerstandsnetzwerk
ändert, das die Emitter der Transistoren 52 und 58
mit der negativen
Stromversorgungsspannung verbindet. Die größte Impulsspannung, die am Widerstand
62 erzeugt werden kann. wird durch den größten Kollektorstrom des Transistors 52
bestimmt und damit auch durch den maximalen Emitterstrom. Ist der Zustand des kleinsten
Verstärkungsfaktors erreicht, d. h. wenn die Birne 78 sehr hell leuchtet, so hat
die fotoleitende Zelle 70 einen sehr niederen Widerstandswert. Daher wird der Emitterstrom
maßgeblich nur durch den Widerstand 66 begrenzt. Bei großem Verstärkungsfaktor leuchtet
die Birne 78 nur wenig, und der Widerstand der fotoleitenden Zellen ist sehr hoch,
so daß der Emitterstrom sowohl durch den Widerstand 66 als auch den Widerstand 68
begrenzt wird. Wenn der Gesamtverstärkungsfaktor des Verstärkers ein Minimum
ist, so ist der Verstärkungsfaktor des Vergleicherverstärkers ein Maximum, und wenn
der Gesamtverstärkungsfaktor des Verstärkers ein Maximum ist, so ist der Verstärkungsfaktor
der Vergleicherschaltung ein Minimum. Die fotoleitende Zelle 70 dient als automatische
Verstärkungsregelung, die verhindert, daß die gesamte Schleifenverstärkung der Vorrichtung
über zu große Bereiche schwankt, so daß eine stabile Arbeitsweise erreicht werden
kann.
-
Wenn man die erfindungsgemäße Schaltung mit der eingangs erwähnten
bekannten Vorrichtung betreibt, so liegt die Amplitude der hochfrequenten Regelspannung
anfangs auf einem hohen Pegel und sinkt dann exponentiell mit einer bestimmten Geschwindigkeit
auf einen niederen Pegel. Wenn die hochfrequente Regelspannung anfangs einen hohen
Betrag hat, so überschreiten die Spitzen der Regelspannung die negative Bezugsgleichspannung
an der Basis des Transistors 52 in einem nennenswerten Maß, so daß das größte Differenzsignal
durch den Vergleicherverstärker erzeugt wird. Die Birne 78 hat dann ihre höchste
Leuchtstärke, die fotoleitenden Zellen haben ihre höchste Leitfähigkeit, und der
Betrag der Dämpfung ist ein Maximum, so daß der Gesamtverstärkungsfaktor der Vorrichtung
ein Minimum ist. Wenn die Amplitude der hochfrequenten Regelspannung fällt, so hält
die Verstärkungsregelungsschleife die Amplitude der hochfrequenten Spannung an der
Anschlußstelle 50 konstant. Ein kleiner Abfall in der hochfrequenten Regelspannung
an der Anschlußstelle 50 in bezug auf die Gleichspannung-Bezugsspannung wird
dann wahrgenommen und verstärkt, um das Differenzsignal zu verkleinern. Dadurch
leuchtet die Birne 78 nicht mehr so heil, und der Dämpfungsgrad wird verkleinert,
so daß die Amplitude der hochfrequenten Spannung an der Anschlußstelle 50 etwa konstant
bleibt. Der Gesamtverstärkungsfaktor der Vorrichtung bleibt damit hoch, bis die
Amplitude der hochfrequenten Regelspannung am Eingang schließlich klein ist und
der Verstärkungsfaktor der erfindungsgemäßen Schaltung 10 schließlich einen hohen
Wert hat.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltung eignen sich besonders
in Kombination mit der eingangs erwähnten bekannten Vorrichtung zwecks Erzeugung
einer hochfrequenten Regelspannung, die anfangs automatisch sich mit dem durchschnittlichen
Verstärkungsfaktor einer Anzahl von Verstärkern ändert und dann exponentiell oder
nach einem anderen Zeitgesetz auf einen niederen Wert sinkt. Die erfindungsgemäße
Schaltung kann auch mit anderen Transistortypen, Vakuumröhren und gleichwertigen
Bauelementen hergestellt werden.