-
Empfangsverstä>ker mit selbst tiger Verstärkungsregelung im Eingangskreis
und schnellansprechender Pegelüberwachung Die Erfindung bezieht sich auf einen Empfangsverstärker
mit selbsttätiger Verstärkungsregelung im Eingangskreis und schnell ansprechender
Pegelüberwachungsschaltung, insbesondere für Nachrichtenübertragungssysteme.
-
Die Übertragung von Nachrichten über modulierte Trägerwellen wird
in den meisten Fällen in Dauerbetrieb vorgenommen. Darunter ist zu verstehen, daß
auch dann die Trägerwelle gesendet wird, wenn sie nicht durch eine Nachricht inoduliert
ist. Die Überwachung einer solchen Übertragungskette ist nach dem Aufbau der Verbindung,
d.h., nach der Durchschaltung einer Vermittlung und Abstimmung auf die Sendefrequenz,
durch die Messung des im zeitlichen Mittel konstanten Empfangspegels in einfacher
Weise gewährleistet.
-
Diese Art der Pegelüberwachung versagt aber dann, wenn die Übertragung
der Nachrichten im Pausenbetrieb vorgenommen wird, d.h., es wird nur dann eine Trägerwelle
über die Strecke gesendet, falls eine Modulation durch eine Nachricht vorliegt.
Dies ist z.B. dann der Fall, wenn über dieselbe Strecke wechselweise in der Hin-
und in der Rückrichtung Nachrichten übertragen werden sollen und ein Pegelabfall
für das Vertauschen von Sende-und Empfangsort maßgeblich ist. Soil nun dieses Vertauschen
von Sende- und Empfangsort schnell vor sich gehen, so versagen die üblichen Pegelüberwachungen,
da diese erst in eingeschwungenem Zustand eine Pegeländerung messen.
-
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, eine schnell ansprechende Pegelüberwachung
zu schaffen, die eine Pegeländerung bereits während der Einschwingzeit feststellt
und diese anzeigt. Sie muß jedoch in der Lage sein, Pegeländerungen verschiedener
Art zu unterscheiden. So dürfen Pegeländerungen, die durch Modulation der Trägerwelle
mit der Nachricht entstehen, und kleinere Pegelsprünge, die etwa durch Vermittlung
entstehen und die die Nachricht nicht stören, nicht angezeigt werden (Messung des
Pegelunterschiedes). Unterschreitet aber der Gesamtpegel einen Minimalwert, so muß
diese Unterschreitung angezeigt werden (Messung des Absolutpegels).
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Messung des
Pegelunterschiedes der Eingangskreis des Empfängers mit einer automatischen Verstärkungsregelung
ausgestattet ist, die eine große Regelzeitkonstante besitzt, so daß sie auf schnelle
Pegelanderungen nicht anspricht und diese infolgedessen angezeigt werden können.
Dieser automatische Verstärkungsregelkreis besitzt eine Schwelle, so daß unterhalb
eines bestimmten Schwellwertes dieser Regelkreis nicht mehr anspricht und somit
ein Pegel unterhalb dieser Schwelle linear verstärkt wird. Dadurch wird die Unterschreitung
des Minimalpegels, der durch eine Pegelüberwachungsschwelle festgelegt ist, absolut
angezeigt.
-
Am Ausgang dieses automatischen Verstärkungsregelkreises liegt ein
weiterer Verstärker. Der Verstärkiingsgrad dieses Verstärkers legt die absolute
Pegelüberwachungsschwelle fest. Am Ausgang dieses Verstaskers sind sowohl ein Begrenzer
und ein Demodulator zur Weiterverarbeitung der Nachricht angeschlossen als auch
ein Gleichrichter, ein Siebglied mit einer kleinen Zeitkonstante und ein Trigger
mit einer Abfall- und
Wiederkehrschwelle, mit deren Hilfe der Pegelunterschied
und der absolute'Pegel angezeigt werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das Stellglied
des automatischen Verstärkungsregelkreises aus einem Feldeffekttransistor.
-
Des weiteren sind alle Verstärker als Differenzverstärker mit symmetrischen
Ein- und Ausgängen ausgebildet.
-
Um eine einseitige Wechselspannungsansteuerung des ersten Verstärkers
zu erreichen, wird in einer günstigen Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen,
einen Kondensator parallel zur Reihenschaltung von Beldeffekttransistor und Widerstand
zu legen.
-
Es ist weiterhin erfindungsgemäß von Vorteil, an die Ausgänge des
vierten Verstärkers eine spulenfreie Zweiweggleichrichtung zu schalten. Um dabei
eine sichere Symmetrierung der Gleichspannungsarbeitspunkte des vier--ten Verstärkers
zu erhalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen Verstärker mit einer Gleichspannungsgegenkopplung
zu versehen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Eß zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild
des Empfangsverstärkers Figur 2 ein Pegeldiagramm Figur 3 eine Ausgestaltung des
Stellgliedes mit nachfolgendem Eingangsverstärker Figur 4 eine Ausgestaltung der
spulenfreien Zweiweggleichrichtung
Figur 5 eine Gleichspannungsgegenkopplung
des integrierten Differenzverstärkers V4 mittels eines Differenzverstärkers.
-
Anhand der Figur 1 und 2 sei zunächst die grundsätzliche Wirkungsweise
gemäß der Erfindung erläutert. Um eine Größe zu erhalten, auf die sich die Messung
des Pegelunterschieds beziehen kann, ist ein automatischer Verstärkungsregelkreis
AVR mit großer Zeitkonstante vorgesehen, der die Ausgangsspannung am Punkt 2 unabhängig
vom Eingangspegel konstant hält. Dabei wird der Sollwert durch den Gleichrichter
G1 auf eine Schwelle D4 fest eingestellt. Eine schnelle Pegeländerung am Eingang
wird dabei unabhängig vom jeweiligen Absolutpegel am Eingang auf eine konstante
Spannungsänderung am Ausgang des automatischen Verstärkungsregelkreises AVR zurückgeführt.
Unterhalb der Schwelle D4 arbeitet die Pegelüberwachung als Detektor für den absoluten
Minimalpegel, denn hier spricht die automatische Verstärkungsregelung des Verstärkungsregelungskreises
AVR nicht mehr an. Da der Verstärker V1 linear arbeitet, leitet er Pegeländerungen
unterhalb der Schwelle D4 sofort an den Verstärker V4 weiter. Die Hysterese des
Triggers TR gibt den Abstand zwischen der Abfallschwelle D2 und der Wiederkehrschwelle
D3 der absoluten Pegelüberwachung an. Die Absolutlage des Hysteresebereiches kann
durch die Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers V4 gewählt werden.
Wesentlich für das geforderte schnelle Ansprechen der Pegelüberwachung ist die Zeitkonstante
des Siebgliedes TM.
-
Diese wird bestimmt von der Größenordnung der Einschwingzeit der ttbertragungsstrecke
und ist im allgemeinen recht klein.
-
Die Zeitkonstante des Siebgliedes TG ist groß gegenüber der Einschwingzeit
der Übertragungsstrecke. Dadurch
wird erreicht, daß langsame Änderungen
des Empfangspegels U1 durch den automatischen Verstärkungsregelkreis AVR ausgeregelt
werden, schnelle Änderungen aber nicht. Diese werden somit von der Pegelüberwachung
gemessen. Dabei ist der Ausgangswert für die schnelle Pegeländerung stets derselbe.
Er ist gegeben durch die Schwelle D4. Die Einstellung dieser Schwelle D4 kann gleichspannungsmäßig
durch eine Änderung der Schwelle im Gleichrichter G1 erfolgen. Sie kann aber auch
wechselspannungsmäßig durch eine Änderung des Verstärkungsgrades des Wechselspannungsverstärkers
V1 erhöht oder erniedrigt werden.
-
Um Übersteuerungs- und Begrenzungseffekte auf dem Signalweg zu vermeiden,
ist es notwendig, die Verstärkungsgrade der Verstärker V1...V5 aufeinander abzustimmen.
In dem automatischen Verstärkungsregelungskreis AVR ist besonders eine genaue Einstellung
des Verstärkungsgrades des Verstärkers V3 notwendig. Einerweits ist ein möglichst
hoher Wert der Verstärkung erwünscht, um die Schleifenverstärkung des Regelkreises
AVR und die gleichzurichtende Wechselspannung für den Gleichrichter G1 möglichst
groß zu machen, andererseits aber darf der Eingangsverstärker V4 der Pegelüberwachung
nich-t übersteuert werden. Der Maximalwert der Spannung U3 am Punkte 3 ist also
durch die eingangsseitige Übersteuerungsgrenze des Verstärkers V4 festgelegt. Um
trotzdem die Forderung nach einem hohen Wechselspannungspegel am Gleichrichter Gl
zu erfüllen, ist zwischen dem Punkt 3 und dem Gleichrichter Dl der Verstärker V2
geschaltet.
-
Soll die Schaltung Begrenzereigenschaften aufweisen, so ist ein gesonderter
Begrenzer V5 in den Signalweg zwischen den Punkt 4 und den Demodulator DM zu schalten,
dessen
Arbeitsbereich den linearen Verstärkungsbereich der vorhergehenden Stufen überdecken
muß.
-
Der Arbeitsbereich der schnell anzeigenden Pegelüberwachung ist für
kleine Pegel U1 durch die absolute Pegelüberwachungsschwelle begrenzt. Für große
Pegel wird er durch den Arbeitsbereich des automatischen Verstärkungsregelkreises
AVR eingeschränkt. Somit hängt die Dynamik des Empfangsverstärkers im wesentlichen
von der Dynamik des automatischen Verstärkungsregelkreises AVR ab. Diese ist abhängig
von der wählbaren Schleifenverstärkung und von dem Aussteuerbereich des Stellgliedes
STG.
-
Dieses Stellglied STG ist in Figur 3 zusammen mit dem nachfolgenden,
symmetrischen Verstärker Vi dargestellt.
-
Im wesentlichen enthalt es den Feldeffekttransistor PET. Ein Feldeffekttransistor
verhält sich wie ein rein ohmscher Widerstand, dessen Größe von der Spannung abhängt,
die zwischen den Punkten n und 5 anliegt. Somit entsteht in Verbindung mit dem Widerstand
R1 ein Spannungsteiler, dessen Teilverhältnis von der Größe des Feldeffekttransistorwiderstandes
abhängt, der seinerseits wieder durch die Spannung zwischen den Punkten G und S
gesteuert wird. Diese Steuerspannung ist aber nichts anderes als die bei langsamen
Pegeländerungen variierende Ausgangsspannung des Verstärkers V3. Somit wird die
Eingangsspannung des Verstärkers V1 in Abhangigkeit von langsamen Pegeländerungen
geregelt. Ein Vorteil dieses Stellgliedes STG besteht darin, daß der Feldeffekttransistor
FET als rückwirkungsfreier Dreipol Steuer- und Nutzsignal voneinander trennt und
daß keine Steuerleistung aufgebracht werden muß.
-
Vorteilhafterweise wird der Empfangsverstärker mit
Differenzverstärkern
aufgebaut, die symmetrische Ein-und Ausgänge haben, wie es z.B. für den Verstärker
V1 in der Figur 3 dargestellt ist.
-
Obwohl die Verwendung des Feldeffekttransistors FE? im Stellglied
STG eine Trennung von Steuer- und Nutzsignal gewährleistet, so wird doch der Arbeitspunkt
des Verstärkers V1 durch den sich ändernden Widerstand des Feldeffekttransistors
PET, der je im wesentlichen den Quellinnenwiderstand für den Eingang des Verstärkers
V1 darstellt, beeinflußt. Damit würde der Signalweg durch die Steuerung verändert.
Durch eine symmetrische Ansteuerung kann dieser Effekt vermieden werden. Die beiden
Symmetrierwiderstände R2 und R2' sorgen für den gleichen Gleichspannungsarbeitspunkt
an den Differenzeingängen DEI, Dz1', und die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers
macht den Einfluß des wechselnden Widerstandes des Feldeffekttransistors FET zunichte.
Der Kondensator C1 bewirkt eine einseitige Wechselspannungsansteuerung des Verstärkers
V1 durch das Nutzsignal. Des weiteren werden Störungen, die gleichphasig auf den
Verstärkerweg einwirken, durch den symmetrischen Aufbau unterdrückt.
-
Wie der Verstärker V1 läßt sich die ganze Pegelüberwachungsschaltung
ohne Spulen aufbauen. Eine spulenfreie Ausführung des Gleichrichters G2 ist in Figur
4 dargestellt. Die Ausgänge DA4 und DA4' des Differenzverstärkers V4 besitzen dasselbe
Gleichspannungspotential und gegenphasige Signalspannungen. Der Spannungsteiler,
gebildet aus den Widerständen R11 und R11' legt die Basen der Transistoren TR4 und
TR5 an das Gleichspannungsruhepotential der Ausgänge DA4 und DA4'.
-
Die Gleichrichtung besorgen die Emitter-3asis-Dioden, wobei wegen
der Gegenphasigkeit der Transistor TR4 die
erste und der Transistor
TR5 die zweite Halbwelle gleichrichtet. An dem gemeinsamen Kollektorwiderstand R12
werden die gleichgerichteten Ströme addiert, so daß die an den Verstärkerausgängen
DA*4 und DA4' erscheinende Nutzwechselspannung zweiweggleichgerichtet am Widerstand
R12 abgenommen werden kann.
-
Die spulenfreie Zweiweggleichrichtung arbeitet nur dann ohne Fehler,
wenn die Gleichspannungsarbeitspunkte des Verstärkers V4 völlig symmetrisch sind
Um dieses zu gewährleisten, ist der Verstärker V4 gemäß der Figur 5 mit einer Gleichspannungsgegenkopplung
zu versehen. Diese besteht aus einem dem integrierten Differenzverstärker V4 nachgeschalteten
Differenzverstärker DV. Dieser ist durch eine konstant gehaltene Stromquelle ST
und die Emitterwiderstände R6, R6' so stark gegengekoppelt, daß die Arbeitspunkte
an den Punkten K3 und K4 durch die Arbeitspunkte an den Punkten Pl und P2 fest yorgegeben
sind. Die Punkte K3 und K4 sind die Anschlußpunkte für die Koppelpunkte Kl und K2
der spulenfreien Zweiweggleichrichtung der Figur 4. Unsymmetrie kann jetzt nur noch
durch den integrierten Verstärker V4 selbst hervorgerufen werden. Dies wird dadurch
verhindert, daß die Spannungen an den Punkten P3 und P4 über die Widerstände R3
, R4 und R5 bzw. die Widerstände R3', R4' und R5' auf die Eingänge DE4 bzw. DE4'
gegengekoppelt werden. Somit herrschen an den Punkten 3 und K4 stets symmetrische
Verhältnisse. Die Kondensatoren C2 und C2' lassen die Gegenkopplung nur für Gleichspannungen
wirksam werden.
-
Der erfindungsgemäße Empfangsverstärker bietet viele Vorteile. Je
nach Größe des Eingangspegels arbeitet er als relative oder absolute Pegelüberwachung.
Die Umschaltung zwischen diesen beiden Arbeitsweisen erfolgt selbsttätig.
-
Dadurch, daß die Ansprech- und die Abfallzeiten des automatischen
Verstärkungsregelkreises und der Pegelüberwachung unterschiedlich gewählt werden
können, sind seine Anwendungsmöglichkeiten sehr groß. Durch den spulenfreien Aufbau
sind für Gewicht, Volumen und Kosten Ersparnisse möglich.
-
6 Patentansprüche 5 Figuren