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Signalverarbeitungseinrichtung für einen Schallwandler.
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Die in den Fernsprecheinrichtungen-weit verbreiteten Kohlemikrophone
sind mit mehreren Nachteilen behaftet. Sie erzeugen harmonische oder nicht lineare
Verzerrungen, haben einen hohen Eigengeräuschpegel, ihre Empfindlichkeit nimmt sowohl
mit abnehmendem Betriebsstrompegel als auch mit der "Packungsdichte" der Kohlekörnchen
ab und die Grundempfindlichkeit des Mikrophons verringert sich mit zunehmender Größe
des Mikrophons. Das Kohlemikrophon besitzt jedoch zwei wünschenswerte Eigenschaften,
nämlich niedrige Herstellungskosten und ein bestimmtes Maß der UnterdrUckung von
Grund geräuschen infolge der verhältnismäßig geringen Empfindlichkeit der Kohlekörnchen
gegenilber niedrigen Schalldrücken. Aufgrund der Nachteile des Kohlemikrophons ist
die Forschung bestrebt, einen Ersatz zu schaffen. In einigen Geräten werden daher
anstelle des Kohlemikrophons auch dynamische oder magnetisohle Wandler verwendet,
die sich durch eine hohe Wiedergabequalität, geringe Eigengeräusche und hohe Empfindlichkeitsstabilität
auszeichnen. Bei bekannten Mikrophonausführungen
werden diese Wandlertypen
in Verbindung mit verhältnismäßig einfachen Verstärkern verwendet. Diese bekannten
Ausführungen haben den Nachteil, daß ihre Empfindlichkeit bei abnehmendem Betriebsstrom
abnimmt und daß die im wesentlichen gleichförmige Schallempfindlichkeit über einen
großen dynamischen Schallbereich ermöglicht, daß der Grundgeräuschpegel einen unerwünscht
hohen Ausgangssignalpegel erzeugt, wenn man diesen mit dem bei Kohlemikrophonen
durch Grund geräusche erzeugten Ausgangssignalpegel vergleicht0 Die erfindungsgemäß
vorgeschlagene Signalverarbeitungseinrichtung beseitigt die bei bekannten Geräten
auftretenden Probleme und ist im praktischen Einsatz verträglich mit ähnlichen Geräten
und mit Kohlemikrophonen, wenn sie parallel zu diesen betrieben wird und in einer
nachrichtentechnischen Anlage den von einer einzelnen Stromquelle gelieferten-Strom
mit diesen teilt. Unter dem hier verwendeten Ausdruck "5Signal verarbeitungseinrichtung
(signal conditioner) soll eine Einrichtung verstanden werden, die dazu dient, das
von einem Schallwandler abgegebene Signal zu einem Ausgangssignal mit bestimmten,
gewünschten Eigenschaften zu verarbeiten0 Die Signalverarbeitungseinrichtung der
Erfindung kann mit jeder Polarität einer an die Klemmen angelegten Vorspannung betrieben
werden und arbeitet mit einem Vorspannungsstrom von nur 5 mA und an der unteren
Betriebsstromgrenze mit einer Klemmenspannung von nur etwa 2,3 Volt. Der Betrieb
der Einrichtung ist bei einer Änderung des Vorspannungsstromes von 13 zu 1 und einer
Anderung der Klemmenspannung von 2 zu 1
unter Beibehaltung einer
im wesentlichen gleichförmigen Betriebskennlinie möglich. Die Einrichtung kann in
Miniaturbauweise hergestellt werden, so daß sie bei der Benutzung durch:eine Person
nich.t störend oder beh.indernd in Ersch.einung tritt. Die vorgeschlagene Signalverarbeitungseinrichtung
für einen elektroakustischen Wandler ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine
Vorverstärkerstufe mit einem Ausgang und einem zur Aufnahme eines elektrischen Signals
von einem elektroakustischen Wandler dienenden Eingang, sowie durch eine Leistungsverstärkerstu£e
mit einem Eingang und einem Ausgang, an welchem der Ausgang der Vorverstärkerstufe
über ein Dämpfungsglied für das Signal mit dem Eingang der Leistungsverstärkerstufe
verbunden ist, wobei das Dämpfungsglied einen in Abhängigkeit von einemangelegten
Steuersignal veränderlich.en Signalübertragungsgang aufweist, ferner durch. einen
Detektorverstärker, der mit dem Ausgang der Vorverstärkerstufe verbunden ist und
zum Anlegen eines Steuersignals an das Dämpfungsglied für das Signal und bei Erreichen
einer bestimmten Ausgangssignalstärke am Ausgang der Vorverstärkerstufe zur Steigerung
der Signalübertragung durch das Dämpfungsglied dient.
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Ein AusfXlrungsbeispiel der Erfindung wird anh.and der Zeichnungen
näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer Schaltplan der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung.
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche das
Verhältnis
von Ausgangsspannung zu Ausgangsstrom der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zeigt.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Gesamtansprechempfindlichkeit
der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung als Funktion der eingangsseitigen Lautstärke
zeigt.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche für eine vorgegebene
eingangsseitige Lautstärke den Ausgangssignalgang der Einrichtung der Fig. 1 im
Vergleich mit einem typischen Kohiemikrophonwandler als Funktion des Eingang stromes
zeigt.
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In dem schematischen Schaltplan der Fig. 1 ist ein Mikrophonwandler
11 dargestellt, der mit einem Vorverstärker oder einer Vorverstärkerstufe 12 verbunden
ist. Der Ausgang des Vorverstärkers 12 wird über das einstellbare Dämpfungsglied
13 an den Leistungsverstärker oder die Leistungsverstärkerstufe 14 und gleichfalls
auch an die Schaltungen 16, 17, 18, 20 und 21 angelegt, welche die Signalübertragungseigenschaften
des Dämpfungsgliedes 13.steuern. Das an den Eingang des Leistungsverstärkers 14
angelegte Signal wird auf einen Wert verstärkt, der bei einem verträglichen Impedanzwert
von etwa 50 Ohm mit den in der Bernsprech.tecMlik gültigen Normen verträglich ist
(etwa 1 Milliwatt). Das verstarke Signal wird über die Polritätssteuerung 15 an
die Ausgangsklemmen 81 und 83 gelegt. Die Polaritätssteuerung
15
gewährleistet, daß die an den Ausgangsklemmen 81 und 85 erscheinende Gleichspannung
mit der für eine Vorspannungsbeaufschlagung der aktiven Schaltungselemente richtigen
Polarität an die verschiedenen Verstärkerstufen angelegt wird0 Die Betriebsvorspannungen
an den Klemmen A, B und C für die aktiven Schaltungselemente werden daher von den
Spannungen erhalten, die auf einem Leitungspaar des Nachrichtensystems erscheinen,
welche mit den Auagangsklemmen 81 und 83 verbunden werden.
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Der Wert der Eingangsimpedanz des Leistungsverstärkers 14 in bezug
auf den Wert der Ausgangsimpedanz des Dämpfungsgliedes 13 bewirkt eine Kompensation,
durch welche eine konstante Verstärkung der erfindungsgemäßen Einrichtung hervorgerufen
wird, auch wenn die Werte des Speisestromes in weiten Grenzen schwanken. Da die
Eingangsimpedanz des Leistungßverstärkers 14, der die Transistoren32 und 33 aufweist,
mit abnehmendem Speise strom in bekannter Weise zunimmt, wird die Ausgangsimpedanz
des Dämpfungsgliedes 13 höher gewählt als die normale Eingangsimpedanz des Leistungsverstärkers
14, wenn dieser mit Betriebsstromwerten arbeitet, die zwischen dem mittleren und
dem oberen Bereich. liegen. Wenn daher die Vorspannung in den Leitungen 82 und 84
auf Werte im unteren Bereich von etwa 1,4 Volt abfällt, entspricht der Wert der
Eingangsimpedanz dss Verstärkers 14 besser dem Wert der Ausgangsimpedanz des Dämpfungsgliedes
13, wodurch die Leistungsumwandlung oder der Kopplungsgrad zwischen Dämpfungsglied
13 und Verstärker 14 vergrößert
wird. Dieser Effekt bewirkt einen
gewissen Ausgleich für den Verstärkungsabfall in den Verstärkern 12 und 14 infolge
der Abnahme der Stromverstärkung der Transistoren 30, 31, 32 und 33, welche in bekanater
Weise bei Abnahme des Transistorstromes auftritt. In entsprechender Weise wird auch
der Wert des Antriebswiderstandes oder der Antriebsimpedanz (in erster Linie Widerstand
70) am Eingang des Detektorverstärkers oder Empfangsverstärkers 16 höher gewählt
als die Eingangsimpedanz des Detektorverstärkers 16, so daß der bessere Impedanzabgleich
bei zunehmender Eingangsimpedanz mit abnehmendem Speisestrom die Leistungsumwandlung
oder den kopplungsgrad vergrößert, wodurch wiederum der Verstärkungsabfall des Vorverstärkers
12 und des Detektorverstärkers 16 ausgeglichen wird0 Die Übertragungseigenschaften
der erfindungsgemäßen Einrichtung bleiben daher für eine vorbestimmte Lautstärke
des Sprechsignals als Funktion des Speisestroms in der in Fig. 4 dargestellten Weise
im wesentlichen konstant, wenn sich die Speisestromwerte in einem Bereich von größer
als dreizehn zu eins verändern.
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Zum Zwecke der Verstärkungsumschaltung weist die erfindungsgemäße
Einrichtung ein gesteuertes Dämpfungselement 18 auf. Dieses Dämpfungselement 18
enthält eine Transistorstufe 36 in Emittergrundschaltung, die normalerweise durch
den Koppiungswiderstand 74 und den Kollektorstromkreis der vorgeschalteten Transistorstufe
35 in Emittergrundschaltung in don leitenden Zustand vorgespaent ist. Daher wird
Jedes von dem Mikrophonwandler 11 bei Nichtvorhandensein von Sprechsignalen
aufgrund
von Grund geräuschen erzeugte Signal durch den Verstärker 12 verstärkt, jedoch durch
das Dämpfungsglied 13 wiederum stark gedämpft, welches mit dem Dämpfungselement
18 verbunden ist und durch dessen Leitfähigkeit gesteuert wird. Für Schallsignale
geringer Lautstärke, die beispiels--weise unterhalb eines Schalldruckpegels von
etwa 80-84 db auf einer Skala liegen, deren Schalldruck null db bei 0,0002 dyn/cm2
angesetzt ist, verläuft die Verstärkung dieser Schallsignale niedriger Lautstärke
im wesentlichen linear, jedoch mit einem niedrigen Verstärkungsgrad, wie in Fig.
3 dargestellt ist.
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Bei Schallsignalen höherer Lautstärke, beispielsweise bei auf den
Mikrophonwandler 11 auftreffenden Sprechsignalen, die auf der Schalldruckskala oberhalb
eines Wertes von etwa 80-84 db liegen, werden die entsprechenden elektrischen Signale
des Mikrophonwandlers 11 durch den Verstärker 12 verstärkt, an das Dämpfungsglied
13 und über das Dämpfungsglied 21 an den Detektorverstärker 16 angelegt. Der Detektorverstärker
16 enthält einen Transistor 34, der durch den Widerstand 71 in den leitfähigen Zustand
in der Nähe der Kollektorsättigung vorgespannt ist. Dieser Ieitfäh.igkeitszustand
in der Nähe des Sättigungspunktes bewirkt eine niedrige Eingangsimpedanz, die mit
abnehmender Speisespannung zunimmt Außerdem enthält der Detektorverstärker 16 auch
den Transistor 35, der zwischen den Transistoren 34 und 36 direkt gekoppelt und
für ankommende Schallsignale an dem Mikrophonwandler 11, die unterhalb eines Schwellenwertes
von
etwa 80-84 db auf der vorgenannten Skala liegen, im wesentlichen in den nichtleitenden
Zustand vorgespannt ist. Wenn das an den Detektorverstärker 16 angelegte Signal
infolge zunehmender Lautstärke größer wird, wird der Transistor 34 nichtleitend
und der Transistor 35 beginnt, Halbwellen des Wechselstrom-Sprechsignals durchzulassen.
Dadurch wird der Kondensator 75 in der Verzögerungsschaltung 17 entladen und das
Vorspannungssignal an dem Verbindungspunkt von Basis und Emitter des Siliziumtransistors
36 nach einer Verzögerung von wenigen Millisekunden entfernt. Dadurch wiederum wird
der Transistor 36 im wesentlichen nichtleitend und setzt- seinerseits die Sprechsignaldämpfung
durch das Dämpfungsglied 13 nach einer kurzen Verzögerungszeit herab. Der Transistor
36 wird mit einer Gleichstromvorspannung null an seinem Kollektor betrieben und
der Kondensator 76, welcher bei Sprachsignalfrequenzen eine verhältnismäßig kleine
Reaktanz aufweist, sperrt die Rückleitung der Gleichspannung durch. die Schaltung
des Dämpfungsgliedes 13.
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Für Schallsignale, die oberhalb des ausgewählten Pegelwertes liegen,
liefert daher die erfindungsgemäße Einrichtung eine im wesentlichen lineare Signalverstärkung
mit einem höheren Verstärkungßgrad, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Typischerweise
kann der Unterschied zwischen dem hohen und dem niedrigen Verstärkungsgrad für ankommende
Schallsignale hoher und niedriger Lautstärke für einen Singangepegelwert von etwa
80-84 db zu etwa 10. db g'wählt werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Damit entrecllell
die Ubertragungseigenschaften
ziemlich genau der Empfindlichkeitsänderung
eines Kohlemikrophons zwischen Schallsignalen hoher und niedriger Lautstärke. Da
in der erfindungsgemäßen Einrichtung der Übergang von dem hohen zu dem niedrigen
Verstärkungsgrad scharf begrenzt und unstetig ist, liefert die Einrichtung die erwünschte
Grundgeräuschunterdrückung ohne die normalerweise bei Kohlemikrophonen auftretende
h.ohe Signalverzerrung.
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Durch den Widerstand 77 wird die Verstärkungsänderung von 10 db bestimmt.
Eine größere Verstärkungsänderung von beispielsweise 20 db bewirkt eine noch stärkere
Grundgeräuschunterdrückung, bewirkt jedoch, daß der Betrieb der Einrichtung in bezug
auf eine mangelhafte Ausrichtung des akustischen Wandlers in der Nähe des Mundes
eines Sprechers kritisches wird.
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Die an den Eingang des Detektorverstärkers 16 angelegte Signalstärke,
welche den Transistor 36 weniger leitfähig macht, wird durch die Verstärkung des
Vorverstärkers 12 und durch die Vorspannungsströme der Transistoren 34 und 35 bestimmt,
so daß dieser Wert durch. Veränderung der Werte der Widerstände 46, 70, 71 und 72
in gewünschter Weise eingestellt werden kann. Die Zeitspanne, die dazu erforderlich.
ist, um die Vorspannung an dem Transistor 36 in ausreichendem Maße zu verändern,
damit bei Vorhandensein eines lautstarken Sprechsignals die Übertragungseigenschaften
an dem Dämfungsglied 13 verändert werden (Angriffszeit), wird in erster Linie durch
den Kondensator 75, den Widerstand 74 und den Transistor 35 bestimmt, Die in Verbindung
mit den Sprachkonsonanten
"p" und "t" auftretenden Sprechsignale
sind für eine einwandfreie Sprachübermittlung erforderlich, so daß die Verzögerung
der Angriffszeit angenähert 10 Millisekunden nicht überschreiten darf, um eine Veränderung
dieser Sprachsignale zu verhindern. Schallimpulse kürzerer Dauer als die ausgewählte
Angriffszeit von beispielsweise 5 Millisekunden, welche durch die Verzögerungsschaltung
17 vorgegeben wird, werden daher um einen Wert gedämpft, welcher der Größe der Verstärkungsumschaltung
entspricht. In gleicher Weise hält die Verzögerungsschaltung 17 den Transistor 36
während der Silbenpausen in den lautstarken Sprechsignalen im nichtleitenden Zustand,
so daß die Übertragungseigenschaften durch das Dampfungsglied 13 während dieser
Pausen im wesentlichen unverändert bleiben. Diese Pausen-Verzögerungszeit ist zweckmäßigerweise
länger (typischerweise einige hundert Millisekunden) als die Angriffs- oder Aufbauzeit,
da der Aufladeweg für den Kondensator 75 durch den hohen Widerstand 73 verläuft,
während der Entladungsweg durch den niedrigen Widerstand 74 und den leitenden Transistor
35 verläuft.
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Der zwischen dem Emitter des Transistors 33 und der Basis des Transistors
32 geschaltete Rückkopplungswiderstand 57 trägt zur Stabilisierung des Verstärkungsgrades
des Leistungsverstärkers 14 bei und stellt gleichzeitig den Wert der Äusgangsimpedanz
auf etwa 50 Ohm ein, 90 daß ein verträglicher fio trieb mit anderen nachrichtentechnischen
Einrichtungen ermöglicht wird,
Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers
14 erscheint in den Leitungen 82 und 84, die gleichzeitig die Stromspeiseleitungen
für die gesamte Schaltung sind. Durch die Brückenschaltung 15 der Germaniumdioden
37-40 wird das Ausgangssignal in den Leitungen 82 und 84 an die Ausgangsklemmen
81 und 83 gelegt und gleichzeitig durch die Leitungen 82 und 84 ein nur in einer
Richtung erfolgendes Vorspannungssignal von einer normalerweise in Nachrichtenleitungen
verfügbaren Signalstärke zugeführt, da die Ausgangsklemmen 81 und 83 in beliebiger
Polung mit den Nachrichtenleitungen verbunden sind. In der Brückenschaltung werden
die Germaniumdioden 37-40 aus dem Grunde verwendet, weil der nur kleine Spannungsabfall
von 0,3 Volt bei in Vorwärtsrichtung leitenden Germaniumdioden gewährleistet, daß
in den Leitungen 82 und 84 eine Vorspannung ausreichender höhe für die Transistoren
zur Verfügung steht, wenn die Spannung in den mit den Ausgangsklemmen verbundenen
Nachrichtenleitungen von etwa 5 Volt bis auf etwa 2,3 Volt abfällt. Die in Reihe
liegende Induktivität 69 und der Querkondensator 68 bilden ein Störfilter, durch
welches die Schaltungselemente gegen eine Beschädigung durch in den Nachrichtenleitungen
auftretende Störsignale geschützt werdene Die nur in einer Richtung erfolgenden
Vorspannungssignale für die aktiven Schaltungselemente werden von den Leitungen
82 und 84 zugeführt und über die Widerstände 61, 63, 65 und die Filterkondensatoren
62, 64, sowie durch den Spannungsabfall an den in Vorwärtsrichtung vorgespannten
und in
Reihe geschalteten Dioden 66 und 67 erhalten.
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- Patentansprüche -