DE2327190C3

DE2327190C3 - Klirrfaktormesser

Info

Publication number: DE2327190C3
Application number: DE2327190A
Authority: DE
Inventors: Erik Edeling Taastrup Kristensen; Stig Glerup Herlev Mikkelsen
Original assignee: Radiometer AS
Current assignee: Radiometer AS
Priority date: 1972-06-06
Filing date: 1973-05-28
Publication date: 1980-03-06
Also published as: GB1371756A; DE2327190B2; DK127893B; DE2327190A1; JPS4957872A; US3890570A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Klirrfaktormesser zum Bestimmen des relativen Oberwellengehalts eines hörfrequenten Signals mit mindestens einem aktiven Bandsperrfilter, das auf die Frequenz der Grundwelle dieses Signals abstimmbar ist und einen Verstärker mit einer Gegenkopplungsschleife, in der ein Bandpassfilter mit Integrationsgliedern und für seine Abstimmung steuerbaren Widerständen liegen sowie einen phasenempfindlichen Detektor zum Vergleichen des Phasenverhältnisses des Ausgangssignalspektrums des Band-Sperrfilters und seines Eingangssignalspektrums und zum Einregeln der steuerbaren Widerstände des Bandpassfilters auf dessen Abstimmung auf die Frequenz der Grundwelle des hörfrequenten Signals enthält, und mit einer Meßschaltung, die aus dem Ausgangssignal des Bandsperrfilters ein der relativen Größe der Oberwellen des hörfrequenten Signals entsprechendes Signal ableitet und an eine Anzeigeeinrichtung weitergibt.

Ein aktives Bandsperrfilter der oben genannten Art ist aus der US-PS 37 87 774 bekannt, wobei mit Hilfe dieses Filters eine totale Entfernung desjenigen Wellenbereichs aus dem einfallenden Signal angestrebt wird, auf den das Filter abgestimmt ist Ein Einsatz des bekannten Bandsperrfilters im Rahmen eines Klirrfaktormessers ist in der Praxis mit zufriedenstellendem Erfolg deshalb nicht möglich, da dazu für die Erfassung eines hinreichend großen Frequenzbereichs mit ausreichender Genauigkeit Verstärker mit einem Produkt aus Verstärkung und Bandbreite erforderlich wären, wie es technisch nicht erreichbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Klirrfaktormesser der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der bei großer Empfindlichkeit und kurzer Meßzeit die Erfassung des gesamten Hörfrequenzbereichs zwischen 20 Hz und 20 kHz gestattet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß mehrere solcher aktiver Bandsperrfilter in Serie hintereinandergeschaltet sind und die Verstärkung in mindestens einem davon in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des letzten Bandsperrfilters zur Aufrechterhaltung eines konstanten Pegels für dieses Ausgangssignal steuerbar ist und ein Eingangssignal für die Meßschaltung bildet.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich ein Klirrfaktormesser für eiwen großen Frequenzbereich und von hoher Empfindlichkeit bauen, der die Durchführung der gesamten Messung in automatisierter Weise und innerhalb sehr kurzer Zeit gestattet. Beispielsweise läßt sich mit einem erfindungsgemäß gestalten Klirrfaktormesser der gesamte Hörfrequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz innerhalb eines Zeitraumes von nur einer Minute überstreichen, wobei Klirrfaktoren in einem Bereich zwischen 0,03 und 10% erfaßt werden können.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung mehrerer in Serie geschalteter Filter zur Dämpfung der Grundwelle ermöglicht den Einsatz von Filtern geringer Güte, was eine rasche Abstimmung der einzelnen Filter auf die Grundwelle gestattet. Die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerung der Verstärkung in mindestens einem der Bandsperrfilter stellt sicher, daß bei großen Klirrfaktoren eine solche Verteilung der Dämpfung für die Grundwelle in den einzelnen Bandsperrfiltern im Verhältnis zu den Verzerrungskomponenten entsteht, daß diese die Grundwelle nicht übertönen und dadurch die Gefahr einer falschen Abstimmung heraufbeschwören und daß zum anderen die Bandsperrfilter mit Verstärkungssteuerung für die Messung von größeren Klirrfaktoren mit sich dabei ergebender verminderter Verstärkung eine größere Bandbreite aufweisen und sich damit rascher einstellen. Weiter bietet die erfindungsgemäß vorgesehene Verstärkungssteuerung den Vorteil, daß das am Ausgang des letzten Bandsperrfilters auftretende Signal für den Detektor in der Meßschaltung, der ein Effektivwertdetektor ist, also ein vom Effektivwert seines Eingangssignals abhängiges Ausgangssignal abgibt, nur innerhalb eines relativ kleinen Amplitudenbereichs schwankt, so daß der Detektor nur einen entsprechend kleinen Dynamikbereich aufzuweisen braucht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 einen Klirrfaktormesser mit drei Bandsperrfiltern und einer Meßschaltung und

Fig.2 den Aufbau eines der Bandsperrfilter von F i g. 1 mit mehr Einzelheiten.

Der in F i g. 1 gezeigte Klirrfaktormesser besitzt drei aktive Bandsperrfilter I, II und IH, die in Serie geschaltet sind und von denen eines, nämlich das Filter III in F i g. 2, eingehender veranschaulicht ist

Das in Fig.2 gezeigte Bandsperrfilier III enthält zwischen hinein Eingang 1 und einem Ausgang 2 einen Verstärker 3. Die Verstärkung im Filter wird durch Widerstände 4 und 5 und eine Gegenkopplungsschleife mit einem abstimmbaren Bandpassfilter bestimmt Dieses Bandpassfilter ist in bekannter Weise mit Hilfe von Integrationsgliedern und Widerständen in Verbindung mit einem invertierenden Verstärker aufgebaut Ein mit Widerständen 7 und 8 kombinierter weiterer Verstärker 6 ist mit einem aus einem Widerstand 9 und einem Integrationsglied mit Verstärker .0 und Integra-, tionskondensator Jl gebildeten Tiefpas·' ''er in Serie geschaltet Diese Serienverbindung wird wiederum mit einem von einem Widerstand 12 und einem zweiten Integrationsglied mit Verstärker 13 und Integrationskondensator 14 gebildeten Tiefpassfilter, welches mit einem Widerstand 15 in Sere geschaltet ist, gegengekoppelt Die Frequenz, auf die dieses Bandpassfilter abgestimmt ist, hängt bei genügend hoher Verstärkung A in den Verstärkern 10 und 13 von den Zeitkonstanten RCdes Widerstandes 9 und des Kondensators 11 sowie des Widerstandes 12 und des Kondensators 14 ab. Durch Änderung der Widerstände 9 und 12 ist das Bandpassfilter deshalb abstimmbar.

An das derartig gebildete Bandsperrfilter ist ein Phasendetektor mit zugehöriger Regelschaltung 16 geschaltet der die Phasendrehung mißt die ein auf den Eingang des Filters gegebenes Signal erfährt, und in Abhängigkeit von dieser Phasendrehung eine Ausgangsspannung erzeugt, die einer Lichtquelle 17 zugeführt wird, welche die Widerstände 9 und 12, die als lichtempfindliche Widerstände ausgeführt sind, beleuchtet. Wird also ein Signal in das Filter eingespeist, bestimmt der Phasendetektor die Phasendrehung der Grundwelle und bewirkt, daß die Lichtquelle 17 den Widerstandswert R der Widerstände 9 und 12 in einer solchen Weise ändert, daß das Filter auf die Frequenz der Grundwelle abgestimmt wird.

Die Bandsperrfilter I und II sind auf entsprechende Weise ausgelegt nur ist der Widers'and 5 ein lichtempfindlicher Widerstand, der in der nachstehend näher beschriebenen Weise gesteuert wird. §0

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind die drei Bandsperrfilter I, II und III so eingerichtet, daß sie sich automatisch so einstellen, daß sie die tingespeiste Grundwelle des Eingangssignals unterdrücken, das den Filtern über einen Kondensator 18 von einer an sich bekannten Vorstufe zugeführt wird, die dafür sorgt, daß das dem Filter I zugeführte Signal einen vorgegebenen Pegel hat. Diese Vorstufe ist der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung weggelassen.

In jedem der drei Bandsperrfilter I, II und III werden die Anteile k des Eingangs* gnals verstärkt, deren Frequenz von der Frequenz der Grundwelle verschieden ist. Diese Verstärkung Ai, Au bzw. Am wird durch das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der Widerstände 5 und 4 in den einzelnen Filtern bestimmt. Die verstärkten Oberwellen werden einem Glied 19 zugeführt, das als Effektivwertdetektor ausgebildet ist und ein Ausgangssignal abgibt, das gleich dem negativen Logarithmus des EffeKtivwertes seines Eingangssignals ist

Um zu vermeiden, daß eine der Oberwellen, falls diese im Eingangssignal einen hohen Pegel hat, die Grundwelle übertönt und dadurch bewirkt daß das Filter II oder III fälschlicherweise auf die Frequenz dieser Oberwelle abgestimmt wird, ist die in F i g. 1 dargestellte Schaltung so ausgelegt, daß die Ausgangsspannung des Gliedes und folglich auch dessen Eingangsspannung auf konstantem Pegel zu halten gesucht wird, und zwar mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife mit einem Integrationsglied, das aus einem Verstärker 20 und einem Kondensator 21 besteht und das die Steuerschaltungen 22 und 23 für zwei Lichtquellen 24 bzw. 25 speist welche die lichtempfindlichen Widerstände 5 in den beiden ersten Bandsperrfiltern beleuchten. Solange die Oberwellen, die auf den Eingang dei Bandsperrfilter gegeben werden, einen gewissen Wert übersteigen, hat das Ausgangssignal des Gliedes 19 eine konstange Größe, da die Verstärkungen A\ und An der Oberwellen in den beiden ersten Bandsperrfiltern umgekehrt proportional zu den Effektivwerten der Oberwellen geändert werden. Da die aktiven Bandsperrfilter I und II infolge der Gegenkopplung durch das abgestimmte Bandpassfilter eine Dämpfung der Grundwelle bewirken, die von der Verstärkung der Oberwellen unabhängig ist, läßt sich der Pegel dieser Oberwellen unter dem Pegel der Grundwelle halten, so daß die Filter mit Sicherheit auf die Frequenz der Grundwelle abgestimmt werden. Die Schaltung ist somit in der Lage, Signale zu verarbeiten, deren relativer Oberwellengehalt sehr unterschiedliche Werte annehmen kann. Der Oberwellengehalt des Eingangssignals wird demnach in Verbindung mit der Messung der Verstärkung bestimmt

Zur Bestimmung des Klirrfaktors soll somit die Verstärkung in den beiden ersten Bandsperrfiltern I und II gemessen werden. Dies erfolgt elektronisch durch einen Vergleich eines Eingangssignals mit dem dazugehörigen Ausgangssignal in einem Frequenzbereich, der von der Filtercharakteristik der Filter nicht beeinflußt wird. LJm die spätere Verarbeitung des Ergebnisses der Verstärkungsmessung für die Erzielung einer endlichen Anzeige des Resultats der Klirrfaktormessung zu erleichtern, ist die Verstärkungsmessung so eingerichtet, daß das resultierende Signal logarithmisch von der gemessenen Verstärkung abhängt. Die Verstärkungsmessung selbst geschieht in der Weise, daß die beiden ersten Bandsperrfilter I und II miteinander gleichstromgekoppelt, vom übrigen Teil der Schaltung jedoch durch den Kondensator 18 einerseits und einen weiteren Kondensator 26 andererseits abgetrennt sind. Mit Hilfe eines an seiner Basis geerdeten Transistors 28 wird auf den Eingang der Bandsperrfilter I und II ein Gleichstromsignal /1 gegeben, das mit Hilfe einer Rückkopplung über ein Integrationsglied mit einem Verstärker 29 und einem Kondensator 30 so gesteuert wird, daß die Gleichspannung am Ausgang des zweiten Bandsperrfilters II einen konstanten Wert annimmt. Der durch den Transistor 28 fließende Strom ist daher der Verstärkung in den beiden Bandsperrfiltern I und II umgekehrt proportional und damit den Oberwellen am Eingang der Schaltung direkt proportional.

Die Steuerung des Transistors 28 durch das Integrationsglied 29, 30 erfolgt über zwei Transistoren und 32, die mit konstantem Strom h am Kollektor des Transistors 31 gespeist werden und zusammen mit dem Transistor 28 einen Differenzverstärker bilden. Mit diesem Differenzverstärker erhält man einen Vergleich

zwischen dem Kollektorstrom h im Transistor 28 und dem kostant gehaltenen Kollektorstrom h im Transistor 31, indem die Spannung an der Basis des Transistors 31 in bezug auf Erde gleich der Basis-Emitterspannung des Transistors 31 minus der Basis-Emitterspannung des Transistors 28 ist. Da die Basis-Emitterspannung eines Transistors dem Logarithmus des Kollektorstroms proportional ist, ist die Spannung an der Basis des Transistors 31 in bezug auf Erde der Differenz log h minus log /ι proportional, wobei log h konstant ist. Für das letzte Glied log l\ gilt, wie bereits erwähnt, daß der Kollektorstrom des Transistors 28 der Verstärkung A\ ■ A\\ umgekehrt proportional ist, so daß —log I\ dem Logarithmus der genannten Verstärkung direkt proportional ist. Mit Hilfe eines Spannungsteilers, der aus Widerständen 33 und 34 besteht, wird die Spannung an der Basis des Transistors 31 multipliziert, so daß die Ausgangsspannung des Integrationsgliedes 29,30 gleich dem Logarithmus der Verstärkung in den beiden ersten Bandsperrfiltern plus der Konstanten log h wird.

Die Spannung, die der Stufe 19 zugeführt wird, ist gleich dem Produkt aus den Oberwellen k und der Verstärkung in den drei Bandsperrfiltern. Wird diese Stufe so eingerichtet, daß sie ein Ausgangssignal liefert, die gleich dem negativen Logarithmus dieser Größe ist, kann man durch Addition dieses Signals zur Ausgangsspannung des Integrationsgliedes 29, 30 und zu einer konstanten Spannung, die gleich log A_m minus log I₂ ist, mit Hilfe gleich großer Widerstände 35,36,37 und 38 in Verbindung mit einem Verstärker 39, der einen Inverter darstellt und mit dem Widerstand 38 gegengekoppelt ist, am Verstärkerausgang eine Spannung erzielen, die gleich dem Logarithmus des Oberwellengehalts k am Eingang der Bandsperrfilter ist, und zwar nicht nur, wenn diese kräftig genug sind, daß die Rückkopplung über das Integrationsglied 20,21 einen konstante Pegel des zum Glied 19 gelangenden Signals aufrechterhalten kann — wobei die Klirrfaktormessung durch Messung der Verstärkung in den beiden ersten Bandsperrfiltern erfolgt — sondern auch, wenn die Oberwellen so schwach sind, daß die Verstärkung in den Bandsperrfiltern auf ihr Maximum gesteuert und die zum Glied 19 gelangende Spannung reduziert ist — wobei die Klirrfaktormessung durch Messung der Ausgangsspannung des Gliedes 19 erfolgt — da die beiden Meßverfahren durch die Addition der logarithmischen Meßgrößen miteinander kombiniert sind. Deshalb braucht das Glied 19 keinen großen Dynamikbereich zu besitzen — d. h. das Verhältnis zwischen dem stärksten und dem schwächsten Signal, welches das Glied korrekt verarbeiten kann.

Wenn die Vorstufe des Klirrfaktormessers dafür sorgt, daß den Bandsperrfiltern ein konstantes Signal von z. B. 1 Volt zugeführt wird, das aus der Grundwelle und den Oberwellen besteht, gibt die Ausgangsspannung des Verstärkers 39 die relative harmonische Verzerrung oder den Klirrfaktor in logarithmischem Maß direkt an. Der Klirrfaktormesser arbeitet automatisch innerhalb eines weiten Frequenzbereiches und auch innerhalb eines weiten Klirrfaktorbereiches, da die automatische Frequenzabstimmung mit Hilfe einer einzelnen Regelschleife in jedem Bandsperrfilter eine Abstimmung über einen weiten Frequenzbereich ermöglicht, z. B. einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, und da das kombinierte Meßverfahren eine Messung von Klirrfaktoren zwischen z. B. 0,3 Promille und 10 Prozent ermöglicht, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich die Filter auf die Frequenz einer der Oberwellen abstimmen oder daß die Meßschaltung umzuschalten ist oder überlastet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 Patentansprüche:

1. Klirrfaktormesser zum Bestimmen des relativen Oberwellengehalts eines hörfrequenten Signals mit mindestens einem aktiven Bandsperrfilter, das auf die Frequenz der Grundwelle dieses Signals abstimmbar ist und das einen Verstärker mit einer Gegenkopplungsschleife, in der ein Bandpassfilter mit Integrationsgliedern und für seine Abstimmung steuerbaren Widersländen liegt, sowie einen phasenempfindlichen Detektor zum Vergleichen des Phasenverhältnisses des Ausgangssignalspektrums des Bandsperrfilters und seines Eingangasignalspektrums und zum Einregeln der steuerbaren Widerstände des Bandpassfilters auf dessen Abstimmung is auf die Frequenz der Grundwelle des hörfrequenten Signals enthält, und mit einer Meßschaltung die aus dem Ausgangssignal des Bandsperrfilters ein der relativen Größe der Oberwellen des hörfrequenten Signals entsprechendes Signal ableitet und an eine Anzeigeeinrichtung weitergibt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher aktiver Bändsperrfilter (I, II, III) in Serie hintereinandergeschaltet sind und die Verstärkung in mindestens einem (I, II) davon in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des letzten Bandsperrfilters (III) zur Aufrechterhaltung eines konstanten Pegels für dieses Ausgangssignal steuerbar ist und ein Eingangssignal für die Meßschaltung (19 bis 39) bildet.

2. Klirrfaktormesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Bandsperrfilter (I, II) mit steuerbarer Verstärkung gleichstromgekoppelt ist bzw. sind und von der Meßschaltung (19 bis 39) ein Gleichstromsignal zugeführt wird, aus dem nach seiner Verstärkung in dem bzw. den Bandsperrfiltern (I, II) in der Meßschaltung (19 bis 39) eine ein Maß für die Verstärkung in den Bandsperrfiltern (I, II) darstellende erste Größe abgeleitet wird.

3. Klirrfaktormesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (19 bis 39) die erste Größe in logarithmischer Abhängigkeit von der Verstärkung in den Bandsperrfiltern (I, II) bildet, mit einer dem Logarithmus der Ausgangsspannung der Bandsperrfilter (I, II, III) entsprechenden zweiten Größe addiert und die Summe dieser beiden Größen an die Anzeigeeinrichtung weitergibt.