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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verwendung
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bei Entzerrern, deren Sektionen durch einen Computer digital steuerbar
sind, insbesondere in der Studiotechnik. Die Erfindung richtet sich auch auf mit
der Schaltung ausgestattete Entzerrrer.
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In der Studiotechnik werden Entzerrer benötigt, um bestimmte Frequenzbereiche
des Klangbildes anzuheben, d.h. zu betonen, oder abzusenken, d.h. zu unterdrücken,
um so ein gewünschtes Klangbild zu erzeugen. Ein typischer Entzerrer besteht aus
mehreren Stufen, einem Tiefen-Entzerrer, einem Höhen-Entzerrer und einem oder mehreren
sogenannten Präsenz/Absenz-Filtern, die im mittleren Frequenzbereich wirksam sind.
Jede dieser Sektionen gestattet eine manuelle Einstellung des Anhebungs- bzw. Absenkungsgrades
und des Frequenzbereiches, in dem diese Anhebung/Absenkung wirksam ist. Meist erfolgt
die Einstellung in diskreten Schritten. Typische Frequenzgänge solcher Entzerrer
sind z.B. dargestellt in J. Webers, Tonstudiotechnik (1968), Seiten 244 und 246.
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Es ist bekannt, derartige Entzerrer mit spannungsgesteuerten Verstärkern
zu realisieren. Diese sogenannten VCAs haben jedoch gegenüber herkömmlicher Schaltungstechnik
erhöhtes Eigenrauschen und einen höheren Klirrfaktor. Außerdem hat diese Technik
den Nachteil, daß (z.B. bei Ansteuerung durch einen Computer) das digitale Steuersignal
in eine analoge Steuerspannung umgewandelt werden muß.
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Es ist ferner bekannt, eine direkt digitale Ansteuerung durch die
Verwendung von multiplizierenden Digital/Analog-Wandlern
zu realisieren.
Diese haben jedoch den Nachteil, daß die Leckströme zwischen den digitalen Eingängen
und dem Analogausgang zu hörbaren Knackstörungen führen, die je nach Wandlertyp
zwischen -50 dBm und -70 dBm liegen. Außerdem haben sie eine lineare Kennlinie,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Entzerrer für die Studiotechnik
zu schaffen, dessen einzelne Filter-Sektionen sowohl in der Frequenz als auch in
der Anhebung bzw. Absenkung z.B.
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durch einen Computer digital steuerbar sind. Dabei soll die bertragungsqualität
gegenüber konventionellen, manuell steuerbaren Entzerrern erhalten bleiben; insbesondere
soll das Obersprechen des digitalen Steuersignals auf den elektroakustischen Weg
unterhalb der Hörschwelle (-85 dBm) liegen. Ferner soll die Anhebungs-/Absenkungs-Amplitude
in exponentiellen Schritten (hier 2 dB je Schritt) erfolgen, und die Anhebungskurven
sollen spiegelsymmetrisch zu den Absenkungskurven sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird davon ausgegangen, daß die
konventionelle Schaltungstechnik, wie sie in manuell bedienten Entzerrern Ublich
ist, soweit wie möglich erhalten bleiben soll und lediglich die Schalter durch geeignete
digital steuerbare Bauelemente ersetzt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die einzelnen in Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale, insbesondere durch das Zusammenwirken der im Kennzeichen
genannten vier Merkmale gelöst.
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Die als schaltenden Elemente eingesetzten Opto-Fets haben zwei wesentliche
Eigenschaften: Sie verhalten sich annähernd wie die herkömmlichen elektromagnetischen
Schalter, d.h. sie führen nicht zur Verschlechterung der Rausch- und Klirrwerte.
Außerdem kann durch sie der digitale Steuerteil galvanisch vom Niederfrequenzteil
entkoppelt und so die zu Knackstörungen führenden Leckströme weitgehend vermieden
werden.
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Der Einsatz dieser Opto-Fets ist sehr aufwendig bezüglich der Ansteuerungsschaltung
und des benötigten Ansteuerstroms. Um die Gesamtschaltung trotzdem in wirtschaftlich
vertretbarem Rahmen zu halten, werden - anders als in herkömmlicher Technik - die
Schalter (Opto-Fets) zur Ansteuerung binärer kombinatorischer Netzwerke benutzt.
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So wird erreicht, daß nicht für jede Stufe ein derartiger Schalter
n (Opto-Fet) notwendig ist, sondern mit n Schaltern 2 Stufen realisiert werden können.
So sind z.B. für 16 Frequenzschritte nur 4 Schalter notwendig.
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Das Problem, daß diese kombinatorische Schaltungstechnik von Natur
aus eine lineare Kennlinie hat, während in der Aufgabenstellung für die Amplitudensteuerung
eine exponentielle Kennlinie gefordert werden muß, wird erfindungsgemäß durch folgende
Maßnahme gelöst: Ein Teil des Ausgangssignals des die Verstärkung steuernden Kreises
(Amplitudensteller) wird auf den Eingang dieses Kreises zurückgeführt.
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Bei dieser Anordnung ist der Mitkopplungsgrad proportional zu der
Verstärkungseinstellung. Durch diese Art der Mitkopplung wird eine nichtlineare
Verzerrung der Stufenweite erzielt derart, daß Stufen
mit großer
Verstärkung noch weiter angehoben werden, während Stufen mit kleiner Verstärkung
weniger stark angehoben werden. So läßt sich bei geeigneter Dimensionierung eine
ausreichende Annäherung an die geforderte exponentielle Kennlinie erzielen.
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Um die Anzahl der benötigten Opto-Schalter noch weiter zu verringern
und gemäß der Aufgabenstellung eine absolute Symmetrie von Anhebungs- und Absenkungseigenschaften
zu erzielen, wird erfindungsgemäß das verstärkungsbestimmende Netzwerk sowohl für
die Anhebung als auch für die Absenkung herangezogen. Wie in Figur 1 gezeigt wird,
wird dies dadurch erreicht, daß die Serienschaltung aus dem frequenzbestimmenden
Schaltungsteil F und dem amplitudenbestimmenden Schaltungsteil A alternativ entweder
in den Eingangsweg (Anhebung) oder den Gegenkopplungsweg (Absenkung) des signalführenden
Operationsverstärkers OP1 geschaltet werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild zu der erfindungsgemäßen Schaltung; Figur
2 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform von F und
A für den Fall eines Tiefen-Filters; Figur 3 eine praktische Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung;
Figur 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltung für den Fall eines Präsenz/Absenz-Filters; und.
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Figur 5 das Schaltbild eines erfindungsgemäß eingesetzten Opto-Kopplers
mit FET-Ausgang.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung.
Dabei bildet der Operationsverstärker OP1 zusammen mit den beiden gleichen Widerständen
R1 und R2 einen invertierenden Verstärker, dessen Verstärkung V = - R2/R1 = -1 und
damit frequenzunabhängig ist, solange der Schalter S in Mittelstellung steht.
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Das Filter F kann in der Frequenz verändert werden. Ihm ist ein Amplitudenstellglied
A nachgeschaltet, das sich im wesentlichen wie ein steuerbarer Widerstand verhält
und dessen Ausgangsstrom Ia auf den Eingangsknotenpunkt von OP1 geführt wird. Steht
der Schalter S in Mittelstellung, so ist der Ausgangsstrom Ia = 0 und somit die
Entzerrung linear, d.h. abgeschaltet. Steht der Schalter S in Stellung 2, so liegt
die Serienschaltung von A und F parallel zum Eingangswiderstand R1, d.h. die vom
Filter F angehobenen Frequenzen werden auch am Ausgang von °P1 angehoben. Das Maß
der Anhebung ist steuerbar durch die Verstärkungsstellung von A. Steht der Schalter
S in Stellung 1, so liegt die Serienschaltung parallel zu R2, also in Gegenkopplung.
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Die vom Filter F angehobenen Frequenzen werden jetzt abgesenkt, und
zwar in gleichem Maße (in dB), wie sie bei Schalterstellung 2 angehoben werden.
So ergibt sich in der logarithmischen Skala eine zur Nulllinie symmetrische Charakteristik
von Anhebung und Absenkung.
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Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen
Ausführung von F und A fUr den Fall des Tiefen-Filters. Dabei bilden S1 und S2 den
Schalter S in Figur 1. Die Widerstände R1 bis R3 bilden zusammen mit C1 einen Tiefpass.
Die Widerstandswerte R1, R2, R3 verhalten sich wie 4 zu 2 zu 1. Durch die Schalter
S3 und S4 können also kombinatorisch die Widerstandswerte 1, 1/2, 1/3, 1/4 geschaltet
und so nach der Formel für den Tiefpass f = 1/2 (pi) R C zwischen vier Grenzfrequenzen
im Verhältnis 1 zu 2 zu 3 zu 4 umgeschaltet werden.
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Die folgenden Schaltungsteile bilden den Amplitudensteller A der
Figur 1. S5 bis S7 und die Widerstände R4 bis R7 bilden erfindungsgemäß wieder ein
kombinatorisch geschaltetes Netzwerk mit in diesem Falle 8 verschiedenen Schaltmöglichkeiten.
Wenn man R8 und den Summierverstärker E wegliesse, so wäre der Ausgangsstrom Ia
proportional einer an den Schaltern S5 bis S7 eingestellten binaren Zahl, wobei
die logische 1 dem Schliessen des jeweiligen Schalters entspricht.
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Erfindungsgemäß wird diese (bei der Amplitude nicht erwünschte) lineare
Kennlinie durch Mitkopplung des Ausgangssignals auf den Summierverstärker E verzerrt.
Das Mitkopplungssignal wird als Spannungsabfall des Ausgangsstroms Ia am Widerstand
R8 erzeugt und auf den eingangsseitigen Summierverstärker E zurückgeführt. Somit
ist der Mitkopplungsgrad proportional der Verstärkungseinstellung und ergibt eine
Vergrößerung der Stufen hoher Verstärkung, die bei entsprechender Dimensionierung
die gewünschte angenähert exponentielle Kennlinie erzeugt.
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Figur 3 zeigt die praktische Ausführungsform dieser Schaltung, wobei
erfindungsgemäß die Schalter S1 bis S5 durch Opto-Fets realisiert werden, wie sie
in Figur 5 dargestellt sind. Dabei bildet OP2 zusammen mit OP3 den Summierungsverstärker
E aus Figur 2. Die Widerstände R1 bis R4 sowie die Kondensatoren sind lediglich
zur Unterdrückung von Gleichspannungen bzw. zur Frequenzgangbeschneidung vorhanden.
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Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Realisierung der Schaltung für
den Fall eines sogenannten Präsenz-/Absenz-Filters. Dabei ist OP2 ein Impedanzwandler;
OP3 bildet zusammen mit den über die Doppelschalter S3 bis S6 schaltbaren Widerstandsnetzwerken
R6 bis R10 und R11 bis R15 ein zweipoliges Bandfilter mit umschaltbarer Frequenz.
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OP4 bildet mit den Schaltern S7 bis S9 den Amplitudensteller, wobei
hier eine gegenüber Figur 3 vereinfachte Realisierung der Mitkopplung möglich ist.
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Um ein möglichst geringes übersprechen zwischen dem digitalen Steuerteil
und dem analogen NF-Teil zu erreichen, wird deren galvanische Trennung dadurch ergänzt,
daß man auf einer Mutterplatine die wesentlichen Bestandteile des digitalen Steuerteils
und auf einer oder mehreren Tochterplatinen die wesentlichen Bestandteile des Analogteils
anordnet. Auf diese Weise wird bei kleinem Platzbedarf eine möglichst weitgehende
topologische Trennung zwischen Digitalteil und Analogteil erreicht. Dabei sind die
Tochterplatine(n) im allgemeinen parallel zur Mutterplatine auf diese aufgesteckt.
Die Anschlüsse der Tochterplatine(n) zur Mutterplatine werden über je zwei getrennte
Steckverbinder
hergestellt, von denen der eine den Anschluß zum Analogteil und der andere den Anschluß
zum Digitalteil herstellt. Vorzugsweise sind die Opto-Fets zwischen Digital- und
Analogteil auf einer möglichst kurzen Linie, insbesondere längs einer U-förmigen
Linie an der Peripherie des Analogteils angeordnet. Auch hierdurch wird eine möglichst
weitgehende Trennung zwischen Digitalteil und Analogteil erreicht, so daß das unerwünschte
Obersprechen hintan gehalten wird. Zweckmäßigerweise ist der Digitalteil auf der
Mutterplatine durch eine möglichst kurze Grenzlinie von dem auf der Mutterplatine
notwendigerweise verbliebenen Analogteil getrennt.
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