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Verfahren zur Amplitudenbegrenzung und geregelte
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Lim ite rs chaltung Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem
Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs und einer geregelten Be grenze r schaltung
nach der Gattung des ersten Vorrichtungsanspruchs. Es ist bekannt, zur Signalbegrenzung,
beispielsweise zur Begrenzung der von einem Mikrophon zu einem nachgeschalteten
Verstärker gelangenden Niederfrequenz sogenannte Limiter-Schaltungen einzusetzen,
die üblicherweise Dioden aufweisen, die auch so geschaltet sein können, daß die
Dioden zur Entfaltung ihrer Begrenzungswirkungen angesteuert werden. Normalerweise
verfügen diese zu Begrenzerzwecken eingesetzte sogenannten Klipp -Dioden über einen
gekrümmten Anlaufbereich,und da eine niederohmige Ansteuerung solcher Dioden schon
aus Gründen der hierzu erforderlichen ist, erfolgt die Ansteuerung der Klipp-Dioden
üblicherweise wenigstens in etwa hochohmig. Durch diese
hochohmige
Ansteuerung ergibt sich aber der Nachteil, daß,-wegen der schon erwähnten gekrümmten
Anlaufkennlinie - solche Klipp-Dioden schon bei vergleichsweise sehr geringen Signalpegeln,
die im speziellen Anwendungsfall etwa 300 mV betragen können, erheblich klirren
können, obwohl dann die eigentliche Begrenzerwirkung erst bei Signalpegeln von,
wieder auf diesen Anwendungsfall bezogen, etwa 500 mV einsetzt. Es ergibt sich daher
schon vor Einsetzen des Klippbeginns, also der Begrenzerwirkung, ein relativ hoher
Klirrbereich, der einen Klirrfaktor von bis zu 10 % im Signal ausmachen kann.
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Nachteilig bei bekannten Begrenzerschaltungen ist daß sich zu einem
gegebenenfalls verzögertem Ansprechen ausgesprochene sogenannte "Zustopf"-Effekte
des Limiters ergeben, die dadurch entstehen, daß bei Anwendung des Limiters auf
die NF-Verstärkung des Ausgangssignals von Mikrophonen ein im Signal enthaltener,
normale Signalpegel beispielsweise stark überschreitender "burst" ein Ansprechen
des Limiters mit gegebenenfalls erheblicher Regeltiefe bewirkt, von welchem sich
das System nur schwer erholen kann, mit anderen Worten, auch nach Abklingen des
schlagartig auftretenden, hohen Signalpegels klingt die Begrenzerwirkung nur allmählich
ab, so daß nachfolgende Signale nicht oder gar nicht verstärkt werden bzw. vom Mikrophon
kommende NF zunächst unhörbar bleibt, bis die Limiter-Wirkung allmählich wi eder
abnimmt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Sigiialbegrenzung,
insbesondere bei der ÜbertraKung eines Mikrophonausgangssignals zur weiterverarbeitenden
Schaltung ein Limitersystem zu schaffen, welches bei hoher Ansprechgeschwindigkeit
die bekannten Zustopf-Effekte praktisch nicht mehr aufweist und in Weiterbildung
auch einen bei geringer Regeltiefe bemerkenswert niedrigen, durch die Begrenzerschaltung
in das Signal eingeführten Klirrfaktor aufweist.
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Vorteile der Erfindung Das Erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
geregelte Begrenzerschaltung lösen diese Aufgabe jeweils mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des ersten Sachanspruchs und haben gegenüber den
bekannten Limiter-Schaltungen den Vorteil, daß durch eine gekrümmte, vorzugsweise
exponentiell verlaufende Regelcharakteristik des Stellgliedes und Wegfall der Totzeit
bei geringer Übersteuerung die Verstärkung des Niederfrequenzsignals (NF) langsamer
ausgeregelt wird als bei hoher Übersteuerung Das gleiche trifft für abfallende Eingangspegel
zu; bei großer Regeltiefe, die einem hohen Übersteuerungsgrad ohne Limiter entspricht,
wird die Verstärkung der Niederfrequenz sehr rasch wieder angehoben.
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Besonders vorteilhaft ist bei vorliegender Erfindung ferner die schnelle
Re gelge s chwindigkeit des Limite rs bei Aufrechterhaltung einwandfreier Stabilitätseigenschaften
der Ge samtanordnung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung
besteht
darin, daß als Begrenzer, also zum Klippen selbst der Verstärker herangezogen wird,
wobei ergänzend Symmetrierschaltungen vorgesehen sind, die bei Einsatz des IC, also
des Verstärkers selbst zum Klippen das ihm zugeführte Eingangssignal so symmetrieren,
daß in beiden Halbwellen der NF mit zunehmender Regeltiefe gleiche Anteile des Signalpegels
geklippt werden.
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Die erfinderische Gesamtkonzeption beruht daher darauf, daß die Verstärkung
der NF bei großer Regeltiefe sehr hart geregelt wird, während bei geringer Regeltiefe
zunehmend eine weichere Regelung zur Auswirkung kommt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeftShrten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
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Zeichnung AusfLihrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen: ]'ig. 1 ein »lockschaltbild einer erfindungsgemäßen, geregelten
Begrenzerschaltung und Fig. 2 die Schaltung der Fig. 1 in detaillierter Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, eine wirksame Begrenzung VOI1 NF-Signalen nicht mit linearem Regelverlauf
durchzuführen, sondern sozusagen dem Bedarf der eigentlichen
Begrenzung
angepaßt und insoweit individuell auf den einzelnen Signalpe gel Rücksicht nehmend
gekrümmt, beispielsweise exponentiell verlaufen soll; auf diese Weise ist es möglich,
bei nur geringer Pegelüberschreitung weich und mit nur geringer Regeltiefe einzugreifen,
während bei extremen Pegelüberschreitungen zwar hart und mit großer Regeltiefe gearbeitet
wird, andererseits aber sehr geringe Steuersignale für das die exponentielle Regelcharakteristik
aufweisende Stellglied genügen, um dieses wieder aus der harten Regelung mit starker
Regeltiefe herauszufahren.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild ist als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
die Erzeugerschaltung für das Niederfrequenzsignal als Mikrophon 1 bezeichnet; die
ungeregelte Niederfrequenz gelangt vom Mikrophon auf deti Eingang 2a eines nachgeschalteten
Verstärkers 2, der in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung
gleichzeitig auch die Begrenzerwirkung auf das Eingangssignal ausübt, also als Stellort
den eigentlichen Limiter bildet. Vom Ausgang 2b des Verstärkers gelangt das verstärkte
und gegebenenfalls begrenzte NF-Signal über die Verbindungsleitung 3 zum Schaltungsausgang
4, an welchem die geregelte NF abgenommen werden kann. Zur Erzielung der Regelwirkung
ist ein Komparator 5 vorgesehen, der bevorzugt als Fensterdiskriminator aus gebildet
ist und dann anspricht, bevor der vorgeschaltete Verstärker 2 die Aussteuergrenzen
erreicht hat. In diesem Fall steuert der Komparator 5 ein nachgeschaltetes Zeitglied
6 an, und zwar so lange, wie die zu begrenzende Pegelüberschreitung des NF-Signals
andauert. Die Ansteuerung des Zeitgliedes vom Komparator 5 erfolgt mit vollem Signal,
d. h. der Komparator 5
spricht in einer Art Ja-Nein-Funktion lediglich
auf eine zu begrenzende Pegelüberschreitung an, ohne daß es erforderlich ist, daß
der Komparator 5 das Ausmaß der Überschreitung erfaßt. Es ist nämlich das nachgeschaltete
Zeitglied 6, welches durch seine gesteuerte Entladung aufgrund des Komparatorausgangssignals
ein in diesem Fall bevorzugtes dauerproportionales Ansteuersignal für ein wiederum
dem Zeitglied 6 nachgeschaitetes Stellglied 7 erzeugt.
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Mit dem Begriff der Signaldauerproportionalität ist der Umstand gemeint,
daß das Ansteuersignal vom Zeitglied zum Stellglied umso stärker wird, je länger
die Pegelüberschreitung andauert, wobei auch hier wieder keine Abhängigkeit zum
jeweiligen Ausmaß der Pegelüberschreitung vorliegt, d. h. ob der vom Mikrophon 1
auf den Verstärker 2 einwirkende "burst" nun extrem stark gewesen ist oder nur eben
der vorgegebene, eine Begrenzung bewirkende Signalpegel überschritten wurde.
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Von wesentlicher Bedeutung ist dann der Umstand, daß das Stellglied
7 durch geeignete Festlegung des Arbeitspunktes selbst die Ansteuerung des Verstärkers
und gleichzeitig Limiters (Pegelreglers) mit gekrümmter Kennlinie, und zwar mit
exponentieller Regelcharakteristik vornimmt. Dabei wird der Arbeitsbereich der FET-Kennlinie
nicht verlassen, so daß sich selbst bei einem extrem einwirkenden 1tburstt1 keine
Übersteuerung des Stellgliedes 7 ergibt, und damit eine Totzeit, d. h. ein "Zustopfen"
verhindert wird. Es ist daher das Stellglied 7, welches bei aufgetretener Pegelüberschreitung
den Verstärker und Limiter zunächst allmählich, dann aber mit fortscllreitender
Dauer des Ansteuersignals vom Komparator 5
rigoros he runterre
gelt; aufgrund der Beschaffenheit der Regelkennlinie allerdings auch bei nur sehr
kurzzeitigem Ausbleiben des Komparatorsignals am Zeitglied 6 und einer entsprechend
nur relativ geringfügigen Änderung des Ansteuersignals vom Zeitglied die Regeltiefe
und Begrenzerwirkung des Verstärkers entsprechend stark überproportional zurücknimmt.
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Bei dem detaillierten Schaltungsbeispiel der Fig. 2 ist der den Stellort
und eigentlichen Limiter 2 bildende Verstärker mit 11 bezeichnet; es handelt sich
um einen Operationsverstärker mit den üblichen zwei Eingängen (invertierender und
nichtinvertierender Eingang), wobei der nichtinvertierende Eingang lla (+Eingang)
das Ausgangssignal des Mikrophons 1 aufnimmt. Über zwei antiparallel geschaltete
Schutzdioden 12 im Eingang und einen Entkopplungskondensator 13 gelangt das NF-Signal
vom Mikrophon 1 zunächst auf eine bisher nicht erwähnte Symmetrierschaltung 14,
die hier noch ergänzend vorgesehen ist, um die durch den Einsatz eines Operationsverstärkers
11 (IC) gleichzeitig als Verstärker und als Limiter zum Klippen der NF sonst sich
ergebende Unsymmetrie beim Klippen der beiden NF-T-lalbwellen zu beseitigen; die
Symmetrierschaltung 14 besteht aus einer Spannungsteilerscilaltung 15 aus den in
Reihe geschalteten Widerständen lfs und 17, wobei an den Verbindungspunkt gegen
Masse ein Kondensator 18 sowie ein relativ hochohmiger Widerstand 19 angeschaltet
ist, der mit der Eingangsleitung verbunden ist. Der Widerstand 19 bestimmt insoweit
die Eingangsimpedanz des Verstärkers und Limiters> da sich über 18 ein Wechselspannungspfad
gegen Masse ergibt. Die Eingangsimpedanz kann bei entsprechender Bemessung des Widerstands
19 beispielsweise
100 Kiloohm betragen. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Symmetrierschaltung 14 durch die Spannungsteilerverhältnisse
so ausgelegt, daß sich eine Potentialverschie bung uni 0, 3 V am nichtinvertierenden
Eingang lla gegenüber Eingang llb des Verstärkers 11 ergibt, so daß dieser nunmehr,
wenn er in seiner Verstärkung durch eine entsprechende Steuersignaländerung vom
Stellglied aus an seinem anderen Eingang eine Veränderung erfährt, beide Halbwellen
der NF gleichmäßig klippt.
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Die Ansteuerung des Komparators 5, hier als Fensterkomparator ausgebildet
unter Verwendung von zwei Komparatoren 5a und 5b in einer für sich gesehen für Fensterkomparatoren
bekannten Schaltung erfolgt vom Ausgang des Verstärkers 11 über die Parallelschaltung
eines Kondensators 20 und einen Widerstand 21, wobei in die Ansteuerleitung zum
Fensterkomparator 5 noch ein Schalter 22 gelegt seiii kann, der geöffnet wird, wenn
man auf eine Limiterwirkung ganz verzichten will.
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Um aber heim Schließen des Schalters 22 unkontrollierte Verhältnisse
oder Spannungssprünge zu vermeiden, ist der Kondensator 20 voll dem vergleichsweise
hochohmig ausgeführten Widerstand, etwa eiii1ni iiberbrückt, so daß sich beidseitig
gleiche Ladungsvérhältnisse ergeben.
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I)ie die Potentialverteilung an den Komparatoren 5a, 5b bestimmende
Spannungsteilerschaltung 23 des Fensterdiskriminators 5 ist so ausgelegt, daß darin,
wenn nach oben oder unten die vorgegebene Pegelschwelle des NF-Signals zum Einsetzen
der Begrenzung
erreicht ist, entweder der Komparator 5a oder 5b
anspricht und seinen Ausgang auf Masse legt. Es ergibt sich dann am nachgeschalteten
Zeitglied 6, welches aus der Reihenschaltung eines zeitbestimmenden Ladekondensators
25 ntit Reihenwiderstand 26 und Sperrdiode 27 besteht, über die Diode 27 und den
Widerstand 26 ein Entladestrompfad für das Potential am Kondensator 25. Die Zeitschaltung
6 ist so ausgelegt, daß irn Falle einer Pegelüberschreitung die Entladung des Kondensators
25 durch mindestens einen der auf Masse liegenden Ausgäiige der Komparatoren 5a,
5b sehr schnell erfolgt, wobei die Ausgänge dieser Komparatoren 5a, 5b im Falle
des Ansprechens jeweils voll auf Masse schalten. Die Regelgeschwindigkeit der Limiterge
samtschaltung ist daher sehr schnell.
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Das sich mit der Dauer der Peheliibe rschreitung ändernde Potential
am Kondensator 25 der Zeitschaltung 6 gelangt dann auf das nachgeschaltete Stellglied
7, welches im Grunde aus beliebigen Bauelementen aufgebaut, jedoch so ausgebildet
sein muß, daß sich ein Verlauf der Regelcharakteristik in exponentieller Form ergibt.
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Mit anderen Worten, die vom Kondensator 25 herrührende Steuerspannung
U steuer bewirkt anfänglich auch bei relativ großen Amplituden nur eine relativ
geringe Regeltiefe.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Stellglied
mindestens einen Feldeffekttransistor (FET), vorzugsweise zwei Feldeffekttransistoren
28a, 'M3b in der in Fig. 2 gezeigten Zusammenschaltung. Die beiden niit "I)" gekennzeichneten
Drain-
Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 28a, 28b sind zusammengeführt
und liegen über die Parallelschaltung eines Widerstandes 29 und einer Diode 30 an
einer positiven Versorgungsspannung vorgegebenen Potentials und gleichzeitig über
einen die Schaltung gleichspannungsmäßig entkoppelnden Kondensator 31 am Minus-Eingang
11b des Operationsverstärkers 11, der au c h als Limiter-Steuereingang bezeichnet
werden kann. Die beiden Source-Anschlüsse'S'der beiden Feldeffekttransistoren sind
ebenfalls zusammengeführt und liegen über einen weiteren Kondensator 32 zur Cleichspannungsentkopplung
an Masse. Man erkennt, daß sich auf diese Weise je nach Aussteuerung der beiden
Feldeffekttransistoren 28a, 28 b we chselspannungsmäßig ein variabler Widerstand
vom Minus-Eingang des Verstärkeres 11 gegen Masse ergibt; es ist dieser, von den
Feldeffekttransistoren 28a, 28b in dieser Parallelschaltung vorgegebene Widerstand,
der in Verbindung mit dem Gegenkopplungswiderstand 33 am Verstärker in der bekannten
Weise dessen Verstärkungsgrad und damit auch dessen ergänzende Limitereigenschaften
steuert.
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Der gewünschte exponentielle Verlauf der Stellgliedkennlinie wird
im Grunde schon durch die Arbeitseigenschaften der hier verwendeten FET' s 28a,
28b selbst erzielt, wobei die Gleichspannungsversorgung tU am Anschluß 34 für die
Feldeffekttransistoren bewußt so gewählt worden ist, daß die durch entsprechende
Ansteuerung an ihren Gate-Anschlüssen vom Po@ential am Zeitkondensator 25 aus bewirkte
Änderung des Feldeffekttransistor-Widerstands RFET den gewünschten expontentiellen
Verlauf aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) beläuft sich
die Versorgungsspannung von +U auf 6,8 V; die parallele Diode 30 dient der Erzielung
einer
schnellen Aufladung des Zeitkondensators 32, so daß bei Inbetriebnahme die Schaltung
praktisch sofort betriebsbereit ist.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Limiterschaltung soll noch an zwei
Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es sei angenommen, daß der Gegenkopplungswiderstand
33 am Verstärker and Limiter 11 einem numerischen Wert von 22 Kiloohm aufweist und
im voll auf die zur Verfügung stehende positive Spannung aufgeladenen %eitkondensator
25 die Feldeffekttransistoren 28a, 28b so angesteuert sind, daß diese einen Gesamtwiderstand
wechselspannungsmäßig gegen Masse von 50 Olim bilden. In die seit Fall ergibt sich
der Verstärkungsgrad des Verstärkers 11 mit 22 Kiloohm/50 Ohm zu etwa 440, während
bei einem durch entsprechende Ansteuerung erreichbaren Widerstandswert der Feldeffekttransistoren
gemeinsam von 1000 Ohm der Verstärkungsgrad nur tisch bei 22 } it' gt.