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Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Regelung oder Be-
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grenzung der Dynamik Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung,
wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben. Üblicherweise besteht eine
Dynamikregelschaltung aus einem Stellglied mit nachgeschaltetem Signalverstärker,
dessen Ausgangsspannung in der Dynamik eingeengt sein soll und zu geber diesem Zweck
einem Stellgrößen /in Form eines Spitzengleichrichters zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung
ihrerseits das Stellglied steuert. Als -Stellglied kann ein steuerbarer Spannungsteiler
dienen, in dessen ausgangsseitigem Querglied beispielsweise als steuerbarer Widerstand
ein Feldeffekttransistor liegt; Der als Stellgrößengeber dienende Spitzengleichrichter,
vorzugsweise ein Doppelweggleichrichter, enthält einen Ladekondensator, der mit
unterschiedlichen Zeitkonstanten aufgeladen und entladen wird. Diejenige Umladung,
z.B. Aufla-
dung, während welcher das Stellglied zur Erhöhung seiner
Dämpfung veranlaßt wird, soll sehr kurz sein, damit beim plötzlichen Auftreten eines
erhöhten Signalpegels am Eingang der Schaltungsanordnung nur ein reduzierter Pegelsprung
arn Ausgang erscheint. Die andere Umladungszeitkonstante, beispielsweise Entladezeitkonstante,
soll viel größer sein (Größenordnung bei Sprachanwendung 0, 2 bis 1 Sekunde), damit
die Dämpfung des Stellgliedes bei langanhaltenden niedrigen Pegeln des Eingangssignals
langsam herabgesetzt wird, die Verstärkung der Schaltungsanordnung also langsam
gesteigert wird.
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Es hat sich nun gezeigt, daß einige der Forderungen, die bei der Dimensionierung
einer solchen Schaltungsanordnung gestellt werden mussen, der Erfüllung anderer
Forderungen im Wege stehen. Dies kann dazu führen, daß das dynamische Verhaltung
der Regeleinrichtung nachteilhafte Eigenschaften aufweist, wie beschrieben in der
Internationalen Elektronischen Rundschau 1970, Nr. 2, Seiten 35 bis 40, insbesondere
Seite 39, Bilder 14 und 15. Bei Rückwärtsregelung kann es nämlich geschehen, daß
bei sprunghafter Erhöhung des Eingangssignales sich der Ausgangspegel der Schaltungsanordnung
zwar nur ganz kurzzeitig erhöht, dann aber zu weit herabgeregelt wird, und sich
nur ganz langsam mit der längeren der beiden Umladungszeitkonstanten wieder normalisiert.
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In anderem Zusammenhang haben sich ebenfalls schon Schwierigkeiten
bei der Dirnensionierung gezeigt, wie aus der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
P 29 o6 192
hervorgeht. Diese betrifft einen Spannungserzeuger für
ein System zur Dynamik-Kompression und/oder-Expansion.
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Allerdings befindet sich bei diesem System das Stellglied im Dynamikkompressionsbetrieb
in einer Gegenkopplungsschleife des dort verwendeten Signalverstärkers. Es heißt
dort: "...ein solcher Steuerspannungserzeuger dient dazu, aus dem Nutzsignal eine
Steuerspannung zu gewinnen und den Stellgliedern eines Kompanders zur Einstellung
der Verstärker zuzuführen. Im normalen Betrieb ist die Einschwingzeit der Steuerspannung
so bemessen, daß der Kurvenverlauf der Nutzsignale ohne wesentliche Verzerrungen
reproduziert wird. Bei einem plötzlichen Amplitudenanstieg ist diese Einschwingzeit
aber zu groß, um eine genügend schnelle Verstärkungsanpassung zu bewirken. Daher
können Amplitudenspitzen zu einer Übersteuerung...
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führen.
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Es ist möglich in diesem Betriebsfall eine direkte Begrenzung des
Nutzsignals, d.h. unter Umgehung einer entsprechenden Ansteuerung der Stellglieder
vorzunehmen." Aber es "können die Begrenzungsmittel bei sehr großen stationären
Amplituden ansprechen und eine Verzerrung der Nutzsignalspannung bewirken." Um eine
schnelle Anpassung der Steuerspannung für die Stellglieder und damit der Verstärkung
zu erzielen, sobald Eingangssignale plötzlich in der Amplitude ansteigen, wurde
daher in der älteren Patentanmeldung folgendes vorgeschlagen, wobei ausgegangen
wurde von einem Steuerspannungserzeuger mit einer Reihenschaltung aus einem ersten
steuerbaren Verstärker und einer ersten *) (entsprechend dem hier verwendeten Begriff
"Stellgrößengeber")
Gleichrichterschaltung für ein System zur Dy,namik-Kompression
und/oder Expansion mit wenigstens einem weiteren steuerbaren Verstärker im Nutzsignalweg:
Es sollte eine weitere Gleichrichterschaltung vorgesehen sein, deren Eingang mit
dem Signalweg vor dem ersten steuerbaren Verstärker und deren Ausgang mit dem Ausgang
der ersten Gleichrichterschaltung verbunden ist, wobei die weiteres Gleichrichterschaltung
zur Verkürzung der Einschwingzeit des Steuerspannungserzeugers dienen sollte. Dabei
war davon ausgegangen worden, daß der erste steuerbare Verstärker in der Gegenkopplungsschleife
des weiteren Verstärkers liegt, der im Nutzsignalweg angeordnet und infolge der
Steuerbarkeit der Gegenkopplungsschleife selbst steuerbar ist.
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Zu den vorteilhaften Eigenschaften dieser bereits vorgeschlagenen
Einrichtung heißt es in der älteren Anmeldung: 2'Die im Zusammenhang mit der direkten
Begrenzung erwähnten Nachteile werden vermieden. Die Anpassungszeit der Verstärkung
bei einem plötzlichen Amplitudenanstieg wird wesentlich verkürzt. Im normalen Betrieb
erfolgt keine Beeinflussung der Steuerspannung. Die im normalen Betrieb wirksame
Einschwingzeit für die Steuerspannungserzeugung kann daher ohne Rücksicht auf die
Anpassungszeit bei Amplitudenanstieg hinsichtlich Signalverzerrung und Stabilität
optimal dimensioniert werden. Die zusätzliche Gleichrichterschaltung wird von einem
bereits komprimierten Signal gesteuert; ...das vor dem steuerbaren Verstärker des
Steuerspannungserzeugers auftretende Signal ist wesentlich weniger verzögert als
das im stationären
Zustand auf den Dynamik-Wert 0 geregelte Signal
am Ausgang des steuerbaren Verstärkers im Steuerspannungserzeuger. Außerdem ist
die durch die verspätete Verstärkungsanpassung erzeugte Amplitudenerhöhung hier
geringer (der Verstärkungsfehler potenziert sich mit der Zahl der geregelten Verstärker).
Sowohl die geringere Laufzeit als auch die geringere Amplitudenerhöhung vermindern
die Gefahr eines Überschwingens der Steuerspannung. Durch die geringe Laufzeit kann
nämlich schon bei Beginn eines plötzlichen Amplitudenanstiegs, der auf eine Zeit
sehr geringer Signalamplitude folgt, die Verstärkung herabgeregelt werden. Die Schaltung
läßt sich so dimensionieren, daß noch vor Erreichen des Endwertes der Steuerspannung
die reguläre Steuerspannungserzeugung allein die Gewinnung der Steuerspannung übernimmt
und die weitere Gleichrichterschaltung außer Betrieb gesetzt wird. Damit ist die
Gefahr eines Überschwingens der Steuerspannung beseitigt." se Die vorgeschlagene
Schaltungsanordnung erfordert insofern einen relativ hohen Aufwand, als in der Regelschleife,
nämlich in der Gegenkopplungsschleife des Signalverstärkers, mindestens ein Verstärker
mit steuerbarer Verstärkung erforderlich ist. Für eine Schaltungsanordnung zur Dynamikregelung
mit weniger hohen Anforderungen (beispielsweise wenn nachfolgend nicht wieder eine
Dynamikexpansion vorgenommen erden soll) erscheint dieser Aufwand zu hoch.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen einfacheren
Lösungsweg
zu finden, um unter Beibehaltung einer tück--wärtsregelung zu erreichen, daß bei
einem unvermittelten Pegelanstieg der Eingangssignale der Ausgangssignalpegel nicht
in störendem Maße zu weit hinab geregelt wird.
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Ausgehend von der bereits vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird
diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Wenn von den bisher üblich gelesenen, einfachen Dynamikregelschaltungen
mit RUckwärtsregelung ausgegangen wird, wie sie beispielsweise beschrieben sind
in Funkschau 1969, Heft 7, Seiten 189 bis 191, dann läßt sich die Erfindung auch
folgendermaßen charakterisieren: Sie geht dann aus von einer Schaltungsanordnung
zur selbsttätigen Regelung oder Begrenzung der Dynamik von Signalen mit einem Stellglied
innerhalb eines Regelkreises, aber zugleich im Signalweg vor einem Signalverstärker,
der eine hohe Signalverstärkung aufweist, wobei als Stellgrößengeber ein Spitzengleichrichter
mit einer langen,den Ausgangssignalpegel-Zunahmeverlauf be-(T bestimmenden Umladezeitkonstante
nachgeschaltet ist, der zugunsten eines schnellen Ansprechens der Regelung bzw.
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Begrenzung nur eine derart kurze, den Ausgangssignalpegel-Abnahmeverlauf
bestimmende Umladezeitkonstante (Tl) aufweist, daß, mitverursacht durch die hohe
Signalverstärkung des Signalverstärkers, beim plötzlichen Auftreten eines starken
Signales die Gefahr einer vorübergehend zu starken Absenkung des Signalpegels un-*)
keine wesentlichen Überschwinger aufweist und
mittelbar nach dem
Ansprechen der Regelung besteht. Hiervon ausgehend läßt sich die Erfindung dadurch
kennzeichnen, daß zusätzliche Steuermittel für das Stellglied vorgesehen sind mit
einer wesentlich kürzeren, den Ausgangssignalpegel-Abnahmeverlauf bestimmenden Umladezeitkonstante
T3, welche die erste Reaktion der Regelungsanordnung bei einem plötzlichen Amplitudenanstieg
bestimmt und verhindert, daß eine zu hohe Umladung desjenigen Kondensators erfolgt,
der im oben genannten Spitzenwertgleichrichter für die Zeitkonstante T1 vorgesehen
ist.
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Anhand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert.
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Ausgehend von einem Eingang 1 der gezeigten Schaltungsanordnung, der
mit einem schwankenden Eingangssignalpegel beaufschlagt sein soll, liegen im Signalweg
aufeinanderfolgend ein Bandpaß 2, ein Stellglied 3, ein Signalverstärker 4 mit hoher
Signalverstärkung in der Größenordnung von 100 bis 1000, ein Umkehrverstärker 5
(mit einer Verstärkung von minus 1), gefolgt vom Ausgang 6.
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Durch den Bandpaß 2 werden unterhalb und oberhalb des Nutzfrequenzbereiches
liegende Störsignale weggefiltert, welche die gewünschten Regelfunktionen beeinträchtigen
können. Außerdem wird durch den Bandpaß ein steiler Amplitudensprung des Eingangssignales
abgeflacht entsprechend der Einschwingdauer des Bandpasses (1/Bandbreite).
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Das Stellglied 3 besteht vorzugsweise aus einem Spannungsteiler mit
einem Längswiderstand 7 und einem Feldeffekttransistor 8 als Ausgangs-Querwiderstand,
der durch eine Stellgröße bezüglich des Querwiderstandes im Stellglied 3 steuerbar
ist, wobei die Stellgröße auf einer Leitung 9 zugeführt wird.
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I In einem Regelkreis ist hinter dem Signalverstärker 4 ein Doppelweg-Spitzengleichrichter
angeordnet, enthaltend Dioden 10, ll, einen Längswiderstand 12 und einen
ersten
Ladekondensator 13. Diesem folgt ein Entkopplungswiderstand 14, eine Diode 15 und
schließlich die bereits erwähnte Leitung 9.
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In soweit entspricht die Schaltung üblichen Dynamikregelschaltungen
mit folgender Arbeitsweise: Sowie der Ausgangssignalpegel am Ausgang 6 bzw. am Ausgang
des Verstärkers 4 anzusteigen versucht, wird der erste Ladekondensator 13 über die
Dioden 10, 11 und den Längswiderstand 12 aufgeladen und zwar möglichst rasch, damit
die Kondensatorspannung über den Entkopplungswiderstand 14, die Diode 15 und die
Leitung 9 möglichst rasch zum Stellglied 3 gelangen und dieses zur Erhöhung seiner
Dämpfung veranlassen kann, so daß es schließlich garnicht erst zu einem übermäßigen
Ansteigen des Ausgangssignalpegels am Ausgang 6 kokillen kann, selbst wenn am Eingang
1 ein sprunghafter Pegelanstieg aufgetreten ist. Sinkt der Signalpegel am Eingang
1 wieder ab, so wird der erste Ladekondensator über die Dioden 10 und 11 nicht mehr
ständig in dem Maße nachgeladen, wie bei hohem Eingangssignalpegel, sondern er entlädt
sich über einen Entladewiderstand 16 mit großer Zeitkonstante, so daß die Dämpfung
des Stellgliedes 3 wieder heruntergesteuert wird Die Entladezeitkonstante des ersten
Ladekondensators 13 bestimmt also dann den Verlauf der Zunahme des Ausgangssignalpegels.
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Wenn die Regelkreisvers tärkung grol3 gewählt worden ist, um eine
große Regelschärfe zu erreichen, hat sich gezeigt, daß bei einem plötzlichen Anstieg
des Eingangssignalpegels der erste Ladekondensator 13 infolge eines anfänglichen
Überschwingens der Ausgangs spannung zu
stark aufgeladen wird.
Dieser zu hohe Spannungsanstieg bewirkt dann eine zu hohe Dämpfungserhöhung des
Stellgliedes 3 und damit eine zu ausgeprägte Erniedrigung der Gesamtverstärkung
der Schaltungsanordnung. Um dies zu vermeiden, ist zunächst einmal der Längswiderstand
12 vorgesehen, der die Aufladung des ersten Ladekondensators 13 etwas verzögert
und seine zu hohe Aufladung insbesondere dann verhindert, wenn eine plötzliche Erhöhung
des Eingangssignalpegels nur kurzzeitig stattfindet. Außerdem sind zusätzliche Steuermittel
für das Stellglied 3 vorgesehen, die einen zweiten Ladekondensator 17 enthalten.
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Dieser bildet zusammen mit Dioden 18 und 19 einen zweiten Spitzengleichrichter.
Durch eine wesentlich kürzere Aufladezeitkonstante (gegenüber dem ersten Ladekondensator
13) reagiert der zweite Ladekondensator wesentlich schneller auf einen plötzlichen
Anstieg des Eingangssignalpegels.
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Auf der anderen Seite ist aber die Entladezeitkonstante des zweiten
Ladekondensators 17 ebenfalls wesentlich kürzer als diejenige des ersten Ladekondensators
13, so daß die zusätzlichen Steuermittel mit dem zweiten Ladekondensator 17 bei
einem plötzlichen Anstieg des Eingangssignalpegels nur vorübergehend wirksam werden,
wobei sich die Wirkungen der beiden Spitzengleichrichter (10 bis 13 bzw. 17 bis
19) einander überlagern in der Weise, daß zunächst der zusätzliche Spitzengleichrichter
17 bis 19 vorübergehend auf das Stellglied 3 über die Leitung 9 einwirkt, wenn und
solange die Spannung an den Dioden 20, 21 deren Schleusenspannungen überschreitet,
und dann -nach absinken der Ladespannung am zweiten Ladekondensator 17 auf einen
Wert, der um eine Schleusenspannung über der
Spannung am ersten
Ladekonstensator 13 liegt - der erste Ladekondensator 13 die Steuerung des Feldeffekttransistors
8 im Stellglied 3 übernimmt.
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Durch die schnelle Aufladung des zweiten Ladekondensators 17 setzt
die Regelung mit Hilfe des Feldeffekttransistors 8 sofort ein; sie folgt praktisch
unmittelbar dem Signal an stieg und verhindert damit weitgehend ein Überschwingen
der Ausgangsspannung. Anfangs ist wegen der größeren Zeitkonstante die Spannung
am Kondensator 13 noch unwirksam, sie übernimmt jedoch allmählich mit steigender
Aufladung des Kondensators 13 oder bei Wiederabsinken der Signalamplitude mit der
schnellen Entladung des Kondensators 17 die Regelung.
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Bleibt die Amplitudenanhebung des Eingangssignals für längere Zeit
erhalten, so laden sich die Kondensatoren 13, 17 und 24 auf dieselbe Spannung auf,
jedoch übernimmt nur der Regelkreis mit dem Kondensator 13 die Regelung, weil zwischen
dem Kondensator 13 und der Leitung 9 nur eine Diode 15 liegt im Gegensatz zu den
beiden Dioden 20, 21 zwischen den Kondensatoren 17, 24 einerseits und der Leitung
9 andererseits.
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Der Widerstand 23 und der Kondensator 24 betreffen noch eine zusätzliche
Feinheit, durch welche erreicht wird, daß die Aufladung des- zweiten Ladekondensators
17 zunächst mit hoher Geschwindigkeit erfolgt und dann etwas verzögert durch den
Widerstand 23 der Kondensator 24 aufgeladen wird. Für die Speicherung bei der Entladung
ist dann die Parallelschaltung der Kondensatoren 17 und 24 wirksam.
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Durch einen Widerstand 25 und einen Kondensätor 26 in Verbindung mit
dem Widerstand 14 wird eine Rückführung des Signals von einer Stelle hinter dem
Signalverstärker 4 zum Gate des Feldeffekttransistors 8 gebildet, die zu dessen
Kennlinien-Linearisierung dient.
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