DE2003754A1 - Verfahren zur Steuerung,insbesondere Konstanthaltung des Pegels analoger Signale - Google Patents

Description

• Verfahren zur Steuerung, insbesondere Konstant haltung des Pegels analoger Signale Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung des Pegels analoger Signale. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere bei der Konstanthaltung des Pegels von Videosignalen bewährt, wie sie von elektrooptischen Normwandlern abgegeben werden, ist aber wegen seiner Vorzüge allgemein auch auf anderen.
• Gebieten der Nachrichten und Regeltechnik einsetzbar.
• In einem elektrooptischen Normwandler werden bei der Normwandlung von Fernsehsignalen, die unterschiedliche Vertikalfrequenzen aufweisen, Videosignale erzeugt, -deren Amplitude £dr den gleichen Signalwert periodischen Schwankungen unterworfen ist. Die Frequenz dieser Amplitudenschwankung errechnet sich aus dem Betrag der Differenz beider Vertikalfrequenzenj Bei der Normwandlung amerikanischer Fernsehsignaie (525 Zeilen, 60 Teilbilder pro Sekunde) in die europäische Norm (62-5 Teilbilder pro Sekunde) in die europäisohe Norm (625 Zeilen, 50 Teilbilder pro Sekunde) und in umgekehrter Richtung beträgt sie also 1Q Hz, Die Schwankungsamplitude selbst hängt von den Speicherzeitkonstanten des' Schre-ibbildrohrs und der Kamerröhre ab, da während der Abtastperiode eines Bildes in der Kamera auf dem Bildschirm Bildschirm der Schreibröhre entweder mehr als ein vollständiges Bild oder weniger geschrieben werden können, je nach Normwandlungsrichtung. Entsprechend der niedrigen Frequenz von 10 Hz wird dieser "Plickereffekt" vom Auge als sehr störend empfunden und muß daher in einer besonderen Anordnung (z.B. Regelverstärker) unterdrückt werden.
• Da in einem Videosignal kein Kriterium für dessen richtige Amplitude enthalten ist - die max. Helligkeit "weiß" ist in normalen Bildvorlagen nur sehr selten enthalten - muß dem Videosignal vor der Normwandlung ein besonderes Eegel-Bezugssignal hinzugefügt werden. Eine bewährte Methode besteht darin, die Zeilenaustastdauer um etwa zwei Mikrosekunden zu verkürzen, so daß während dieser Zeit der sogenannte " NeiBimpuls" übertragen werden kann. Dieser Mieißimpuls wird auf dem Bildschirm der Schreibbildrbhre am linken Bildrand dargestellt. Nach der Normwandlung ergibt der von der Kamera aufgenommene Weißimpuls das benötigte Pegel-Bezugskriterium, das als Grundlage zu einer i;egelkorrektur verwendet wird.
• Zur Beseitigung derartiger Pegelscheankungen eignen sich grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren, die mit den Begriffen "Regelung" und "Steuerung" beschrieben werden und im folgenden im Prinzip kurz beschrieben werden.
• Bei dem in der drahtlosen Empfangstechnik weit verbreiteten Verfahren der Rückwärtsregelung mit einem Regelverstärker wird die Meßgröße dem Ausgangssignal enthommen und mit einem Sollwert verglichen. Aus der Differenz beider Großen wird eine stellgröße abgeleitet, das ein Regelelement, das vor dem Meßabgriff angeordnet jet, (z.B. Regel-Röhre, Transistor, Photowiderstand o.ä.) so beeinflußt, daß der amplitudenfehler des Ausgangs Signale verringert wird. Aus diesem Prinzip Prinzip geht hervor, daß bei einem fehlerhaften Eingangspegel auch der Ausgangs pegel noch einen Restfehler aufweisen muß, da sonat kein Regelsignal erzeugt wird. Dieser Restfehler wird um so geringer, Je größer die Verstärkung in Regelkreis (Regelsteilheit) ist. Die Verstärkung kann jedoch nicht beliebig groß gewählt werden, da aufgrund der benötigten Zeitkonstanten im Regelkreis von einer bestimmten Verstärkung an Belbsterregung für tiefe Frequenzen auftritt (Regelschwingungen).
• Das auch der Erfindung zugrunde liegende Prinzip des Steuerverstärkers mit Vorwärsregelung wird anhand der Fig. 1 verdeutlicht. Bei dem Steuerverstärker wird das Regelkriterium aus dem ankommenden Signal entnormen (Meßwerterfassung) und daraus in einer folgenden Stufe ein Steuersignal erzeugt (Meßwertverarbeitung). Dieses Signal beeinflußt eine hinter dem Abgriff der Stellgröße liegende Steuerstufe so, daß der Ausgangepegel auf den gewünschten Wert eingestellt wird.
• Soll ein signal, dessen ziegel zeitlich in Abhängikeit von einer Störgröße St (t) schwankt, auf einen konstanten Wert gebracht werden, dann muß dieses Signal Tit der zur Störfunktion reziproken Korrekturfunktion F(t) = 1 multi-St (t) pliziert werden. Diese Multiplikation wird in der 3teuerstufe vorgenommen.
• Als Steuerelement eignen sich alle Bauelemente, die auch im Regelverstärker angewendet werden können.
• Die Vorteile des Steuerverstärkers gegenüber-dem Regelverstärker bestehen darin, daß die Beziehung zwischen dem Eingangs- und dem Auagangapegel beliebig gewählt werden kann und darin, daß Regelechwingungen nicht auftreten können.
• Es ist also möglich, den Restfehler beliebig klein zu machen machen.
• Der Nachteil des Steuerverstärkers besteht darin, daß Abweichungen der Steuerkennlinie vom geforderten Verlauf Amplitudenfehler des Ausgangssignals zur Folge haben. Da die Steuerkennlinie häufig durch ein Halbleiterbauelement oder durch Kombination mehrerer approximiert wird, können sich Alterungseffekte oder Temperaturabhängigkeiten verschlechternd auf die Genauigkeit des Verstärkers auswirken.
• Im allgemeinen ist es schwierig, die gewünschte Kennlinie bei einer Genauigkeit von i auf längere Zeit zu halten.
• Weiterhin ist zu beachten, daß alle nichtlinearen Kennlinien, - die Steuerkennlinien von Röhren und Transistoren sind nichtlinear-, bei der Übertragung eines Signals VerT zerrungen hervorrufen, die um so größer werden, Je stärker die Krümmung der Kennlinie im Aussteuerbereich ist (Klirrfaktor).
• Auch die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstanthaltung des Pegels analoger Signale, insbesondere Videosignale, mit Hilfe eines Steuerverstärkers, in dem das Eingangs signal mit einer zur Störfunktion reziproken Korrekturfunktion multipliziert wird.
• Die Erfindung löst die oben genannten Schwierigkeiten bei der Anwendung des Steuerverstärkerprinzips nun dadurch, daß aus dem Eingangspegel durch Vergleich mit einem Bezugspegel über einen Analogdigitalwandler ein n-stelliges Binärsignal abgeleitet wird, welches über n jeweils einer Binärstelle zugeordnete Schalter n Einzelwiderstände zu einem resultierenden Niderstand zusammenschaltet der dem Stromkreis des Steuerverstärkers derart zugeordnet ist, daß wischen dem resultierenden widerstand und dessen VerstErkung eine lineare Beziehung besteht.
• Der Der resultierende Widerstand kann als Arbeitswiderstani und/oder als .Gegenkopplungswiderstand des Steuerverstärkers wirken. Der aufwand für die n beliebig parallel zusammenschaltbaren Widerstände wird besonders gering, wenn der Widerstandswert der beliebig zueinander parallel schaltbaren Einzelwiderstände in geometrischer Pogession ansteigt.
• Bei einer Zahl von 8 Schaltstufen liegt die Einstellgenauigkeit für einen Steuerbereich von 10 db noch unter 1% Zweckmäßig besteht der Steuerverstärker aus einer über einen Emitterwiderstand stromgegengekoppelten Transistorstufe in Emitterschaltung mit zueinander beliebig parallel schaltbaren Einzelwiderständen im Kollektorkreis.
• Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für die vorliegende Aufgabe, ein Signal mit schwankendem Singangepegel auf einen-konstanten Ausgangspegel auszuregeln. Die folgende Betrachtung soll das zeigen: Die Eingangssignalspannung UE sei als Produkt der Bildsignalspannung UN und der Störfunktion St dargestellt: Für den Kollektorstrom einer als Steuerverstärker verwendeten" stromgegengekoppelten Transistorstufe in EmitterGchaltung-gilt dann bei hinreichend großem Emitterwiderstand RE mit guter Näherung : (für STRE > > 1) Jc = UE/RE, wobei RE der Emitterwiderstand und ST der/Steilheit @@@@@@@@@ des Verstärkertransistransistors ist. Die Signalspannung UA am Kollektorwiderstand RA ergibt sich somit zu : UA = Jc # RA = UN # St # RA/RE Die Signalspannung UA kann von der Störfujnktion St unabhängig gemacht werden, wenn das Produkt St , RA eine Konstante wird.
• wird. Daraus folgt, daß 1/RA - GA = Konst. .St sein muß.
• Da der Leitwert GA als eine Summe mehrere, nach Potenzen von 1 geordneter leitwerte gebildet werden kann, ist die folgende Entwicklung möglich: GA = GA max ( 81 . 2-1 + a2 . 2-2 + ...a3 . 2-n ) = Konst. # Stmax (a1 # 2-1 + a2 # 2-2 + a3 # 2-3 + ...an 2-n) Die Koeffizienten a1 bis an besitzen nur den Nert 1 oder 0, sie stellen die Binärzahlen des digital quantisierten Störsignals St dar, das mit einem Analog - Digitalwandler erseugt werden kann.
• ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entwickelter Videoverstärker mit automatischer Pegelsteuerung wird anhand dreier Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigen: die Fig. 1 das zum Stand der Technik gehörende Prinzip des Steuerverstärkere im Blockschaltbild1 die Fig. 2 die Ausführung des Steuerverstärkers mit einer stromgegengekoppèlten Transistorstufe mit 8 beliebig parallel zu einem resultierenden Kollektorwiderstand schaltbaren Einzelwideretänden mit den zugehörigen elektronischen Schaltern. Der Analogdigitalwandler ist in der Fig. 2 nur im Blockschaltbild dargestellt ebenso einige Hilfsschaltungen wie der Klemmverstärker, die Impulszentrale und die Austaststufe. Die MeBwerterfassung der Fig. 1 erfolgt in der Taststufe, der ein Analogwertspeicher angeschlossen ist.
• Die Fig. 3 zeigt den Arnlegdigitalwandler in der Zusammenschaltung seiner Einselatufen.
• In der Fig. 2 wird das vom Kameraverstärker abgegebene Videosignal signal zunächst auf 1 V55 verstärkt und mit Hilfe einer Klemmetufe auf ein definiertes Potential festgelegt. Ein weiterer Verstärker erhöht den Signalpegel auf 3 bis 4 V88. Das auf Grund der eingangs geschilderten Gegebenheiten erheblich in seinem Pegel schwankende Signal gelangt auf die Basis der Transistorverstärkerstufe V, die über einen Emitterwiderstand RE so stark stromgegengekoppelt ist, daß die vorstehend erwähnte Bedingung für den Kollektorstrom eingehalten wird. Im Kollektorkreis befinden sich 8 in geometrischer Progession gestufte ohmsche Widerstände R ... 128' R, die jeweils in Reihe zu der Emitterkollektionsstrecke eines Schalttransistors S1 .... Sn liegen, deren emitter auf Bezugspotential liegt und deren Basis an die n Ausgänge des Analogdigitalwandlers angeschlossen iet. Die Verstärkerstufe ist optimal eingestellt, wenn fiir den Signalwert "Schwarz" der Kollektorstrom Null ist. In diesem Fall wird auch der Restfehler ein Minimum. Das Eingangssignal wird hinter dem Klemmver auBerdem einer Taststufe zugeführt.
• In der Taststufe wird aus dem Kamerasignal der Beißimpuls, der als Pegelkriterium für die betreffende Zeile gilt, entnQmmen. Der dafür benötigte Torimpuls ist mit H :1 bezeichnet. Die übrigen Signalanteile werden kurzgeschlossen.
• Die so gewonnenen 2 /us - Impulse laden mit Hilfe eines Treiberverstärkers einen 5 nF- Kondensator auf die jewei lige Spitzenspannung auf. Nach Ablauf der Zeile wird der Speicher-Kondensator wieder entladen. Dazu dient eine weitere Taststufe. die mit dem Horizontal-Impuls gesteuert wird. Während der Dauer der Zeile steht also im Analog-Speicher eine konstante Gleichspannung zur Verfügung, die mit einem sehr hochohmigen Verstärker abgenommen wird.
• Der Der in Fig. 3 im Blockschaltbild dargestellte Analog-Digital-Wandler ist als "gestreckter Wägecodierer aufgebaut. Er besteht aus acht gleichartigen, in Serie geschalteten Einheiten, von denen jede einen offsetfreien gleichspannungsgekoppelten 6 db-Verstärker, einen schnellen Spannungsdiskriminator und eine Subtraktionsstufe enthält. Der Spannungsdiskriminator prüft, ob das Signal am Eingang des 6 db-Verstärkers größer als ein vorgegebener Quert Upr ist und gibt im positiven Fall einen Impuls ab, der die Subtraktionsstufe veranlaBt, das am Verstirkerausgang vorliegende Signal um 2 x Uir in Potential zu verschieben. Dieser Impuls eribt gleichzeitig die Binarinformation der betreffenden digitalen stelle. Auf diese Reise wird die im Analog-Speicher vorliegende Gleichspannung in eine 8 Kanal-Digital-Information umgerechnet.
• Da die Genauigkeit des Gesamtgerätes birekt von der des Analog-Digital-Wandlers abhängt, muß diese eine hohe elektrische Stabilität aufweisen.
• Die Austaststufe besteht aus einem Schalttransistor, der, gesteuert vom Austast-Impuls, (-A) den Weißimpuls und restliche Störsignale wahrend des Zeilenrücklaufs kurzschließt. tinte 75-Ohm-Endstufe ergänzt die Schaltung.
• Am Ausgang liegt ein normgerechtes BA-Slgnal vor.
• In der Impuls zentrale werden die vom Normwandler entnommen Taktimpulse (-H) und (-A) aufbereitet, die von der Klemmstufe, vom Analogspreicher und von der Austaststufe benötigt werden. Außerdem wird vom (-H) - Impuls ein Torimpuls HW abgeleitet, der die Taststufe steuert.
• Versuche zeigten, daß das Gerät Pegelschwankungen zwischen 50 mV und 200 mV bis auf den theoretisch zu erwartenden Restfehler von weniger als 1% ausgleicht. Beim praktischen Einsatz muß darauf geachtet werden, daß das Schwarztwertnezugepotential nicht durch Störimpulse beeinträchtigt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren, den Pegel analoger Signale mit Hilfe digital geateuerter ohmscher Widerstände einzustellen, macht aus dem wegen seiner geringen erreichbaren stabilität und Genauigkeit bisher wenig beliebten Steuerverstärker - Prinzipein brauchbares Hilfsmittel für viele technische Aufgaben'. Die bereits erwähnte hervorragende Verzerrungsfreiheit der Nussteuerkennlinie empfiehlt das Verfahren besonders für Geräte mit schneller automatischer legelkorrektur (z.B. bei Fernsehsignalen mit Hilfe eines Pegel-Prüfzeilensignals).
• Weiterhin erlaubt das Verfahren auch beliebige andere Relationen zwischen mingangs--und Ausgangssignal. o können z.B. logarithmische, quadratische, exponentielle oder auch zeitlich veränderliche Abhängikeiten erzielt werden, wenn die Binär-Zahlen einen entsprechend gesteuerten Umrechnungsprozeß unterworfen werden. bevor sie der Steuerstufe zugeführt werden.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Steuerung, insbesondere Konstanthaltung des Pegele analoger Jignale, insbesondere Videosignale, mit Hilfe eines Steuerverstärkers, in dem das Eingangssignal mit einer zur Störfunktion reziproken Korektarfunktion multipliziert wird, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß zur Gewinnung der Störgröße aus dem Eingangspegel durch Vergleich mit einem Bezugspegel über einen Analogdigitalwandler einn-stelliges Binärsig.

nal abgeleitet wird, welches über n jeweils einer Binärstelle zugeordnete elektroaische schalter ( n ohmsche Einzelwiderstände (R ... 128 ) zu einem resultierenden Widerstand zusammenschaltet, der dem btromkreis des Steuerverstärkers (V) derart zugeordnet ist, daß zwischen resultierendem Widerstand und Verstärkung eine lineare Beziehung besteht (Fig. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß der die Verstärkung bestimmende resultierende widerstand als Arbeitswiderstand einer Verstärkerstufe (V) wirkt (Fig. 2)

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß der die Verstärkung bestimmende resultierende Niderstand als Gegenkopplungswiderstand einer Verstärkerstufe wirkt

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, d a d u r o h g e k e n n z e 1 ¢ h n e t , daß der Widerstandswert der beliebig zueinander parallel schaltbaren Einzelwiderstände in geometrische Progession (R.... 128 H) anateigt (Fig. 2).

5.

5. Steuerverstäker zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h-n e t, das die Verstärkerstufe (V) aus einem über einen Emitterwiderstand RE stromgegengekoppelten Transisor in Emitterschaltung mit den zue'inander beliebig parallel schaltbaren Arbeitswiderständen im Kollektorkreis besteht (Fig. 2).

6. Analog-Digitalwandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß n in'serie geschaltete Einheiten vorgesehen sind, die jeweils aus einem triftfreien (offsetfreien) gleichspannungsgekoppelten Verstärker mit je 6 ab-Verstärkung, einem schnellen Spannungsdiskriminator und einer Subtraktionsstufe bestehen, wobei der Spannungsdiskriminator das am jeweiligen Eingang der Verstarkerstufe stehende signal auf Überschreiten eines dieser einheit zugeordneten Bezugspegels prüft und bei Überschreiten die binäre Ausgangsinformation und ein Auslösesignal für die Suhbtraktionsstufe abgibt, welches das am Ausgang dieser Verstärkerstufe vorliegende Signal um den doppelten Wert des Bezugspegels im Potential verschiebt (Fig.3).

7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß aus dem Eingangspegel über eine Taststufe Impulse gewonnen werden, die einen Analog--speicher auf die jeweilige Spitzenspannung aufladen (Fig.2).

8. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Eingangssignal vor seiner 5inwitkung auf den Steuerverstärker und die Tastatufe einen Klemmverstärker durchläuft (Fig. 2).

9.

9. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das vom Steuerverstärker åbgegebene Signal einer iustaststufe zugeführt wird (Fig. 2).

10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die von dem Klemmverstärker dem Analogspeicher der Taststufe und der Ausgangsstufe bentigten Taktimpulse in einer Impuls zentrale aufbereitet werden (Fig. 2).