DE3400463C2 - Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung eines Verstärkers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung; sie betrifft insbesondere eine Verstärkungsregelschaltung für die Verwendung in Verbindung mit einer Videokamera.

Die meisten Videokameras, die für den allgemeinen Ein­ satz bestimmt sind, verwenden eine automatische Ver­ stärkungsregelschaltung (AGC-Schaltung) zur Steuerung bzw. Regelung der Verstärkung des ermittelten Luminanz- Ausgangssignals. Derartige Verstärkungsregelschaltungen arbeiten dabei so, daß der Pegel des Luminanzsignals auf einem bestimmten bzw. genau festgelegten Wert unab­ hängig von der Helligkeit des von der Videokamera aufge­ nommenen Objekts gehalten wird. Ein Vorteil der Anwen­ dung einer automatischen Verstärkungsregelschaltung hin­ sichtlich der Beibehaltung des Luminanzsignals auf die­ sem festgelegten automatischen Verstärkungsregelungs­ pegel liegt darin, daß die Qualität des Bildes verbes­ sert wird, indem ein gewünschtes Signal-Stör-Verhältnis aufrechterhalten wird. Dennoch treten Situationen auf, in denen ein Bild eines dunklen Gegenstandes beispiels­ weise aufzuzeichnen erwünscht ist, obwohl anzuerkennen ist, daß die resultierenden Bilder eines derartigen dunk­ len Objekts unterhalb des Optimums liegen. Darüber hinaus sind Videokameras derzeit über die Nützlichkeitsstufe hinaus bis zu dem Punkt fortgeschritten, an dem künst­ lerische Anwendungen mit Videoband-Reproduktionen vor­ genommen werden. Demgemäß sollte dem Benutzer die Fähig­ keit gegeben werden, Bilder einzufangen, die entweder heller oder dunkler als Aufnahmen sind, die als Standard- Aufnahmen angesehen werden.

Aus der US 43 65 272 ist eine Fernsehkamera bekannt, die eine Schaltung zur Regelung eines Verstärkers mit Verstarkungswahl enthält, weiche auf einer detektierten Blendenöffnung eines Objektivs beruht, um Schärfe und Kontrast des resultierenden Bild zu verbessern. Aufgabe ist es dabei, den Blendenwert in einem Mittelwert zu halten. Sowohl ein automatischer als auch ein manueller Regelbetrieb werden verwendet, um die Verstärkung eines Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung, der die Verstärkung in gewählten inkrementalen Schritten erhöht, zu regeln.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte automatische Verstärkungsregelschaltung zu schaffen, die einen manuell betätigbaren Übersteuerungs­ schalter aufweist, mit dessen Hilfe die Aufnahme von Vi­ deobildern ermöglicht ist, die sonst bei Anwendung der automatischen Verstärkungsregelschaltung nicht möglich wären.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine automatische Verstärkungsregelschaltung für eine Video­ kamera geschaffen, bei der ein manuell betätigter Schal­ ter so vorgesehen ist, daß auf eine Betätigung bzw. einen Betrieb des betreffenden Schalters in eine manuelle Ver­ stärkungsregelsituation von einer automatischen Verstär­ kungsregelsituation der Verstärkungsbereich in dem Lu­ minanzsignalverstärker zur manuellen Regelung bzw. Ver­ stärkung erweitert und zur automatischen Steuerung bzw. Regelung eingeengt werden kann. Dabei wird ein Verstär­ kungsregelsignal gebildet, welches manuell veränderbar ist; ferner wird ein automatisches Verstärkungsregel­ signal gebildet, welches automatisch veränderbar ist.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch in einem Schaltplan einen Videokameraverstärker und eine Verstärkungs­ regelschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung die Signalverstärkungen, die mittels des in der Verstärkung veränderbaren Verstärkers und mittels der Verstärkungsregelschaltung gemäß Fig. 1 er­ zielt werden.

Im folgenden werden die Ausführungsformen gemäß der Er­ findung im einzelnen beschrieben.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird ein Lu­ minanz- bzw. Leuchtdichtesignal, welches von einer typi­ schen Videokameraröhre 1 erzeugt sein könnte, über einen Vorverstärker 2 einem eine veränderbare Verstärkung auf­ weisenden Verstärker 3 zugeführt, der einen ersten Dif­ ferenzverstärker 31 umfaßt. Dieser Differenzverstärker 31 weist ein Paar von Transistoren Q1 und Q2 auf, deren Emitterkreise über Widerstände R1 bzw. R2 gegenseitig mit­ einander verbunden sind. Der Verbindungspunkt der Wider­ stände R1 und R2 ist mit dem Kollektorkreis eines Tran­ sistors Q3 verbunden, welcher als Stromquelle geschaltet ist und dessen Emitter über einen geeigneten Widerstand in konventioneller Art und Weise auf Erd- bzw. Massepo­ tential liegt. Die Widerstände R1 und R2 des Differenz­ verstärkers 31 weisen in typischer Weise dieselben Wi­ derstandwerte auf.

Das Luminanzsignal von dem Vorverstärker 2 her wird dem Basisanschluß des Transistors Q1 zugeführt; der Basisan­ schluß bzw. die Basisleitung des anderen Transistors Q2 des Differenzverstärkers 31 wird auf einer bestimmten Spannung V_BB gehalten, die in typischer Weise bei dem Schwarzwertpegel des Luminanzsignals gewählt ist. Der Signalverlauf des typischen Luminanzsignals ist an sich bekannt; er weist eine Schwarzwertspannung auf, die aus dem Gleichspannungs-Klemmpegel gewonnen ist, der not­ wendig ist, um jeglichen Gleichspannungsverlust wieder einzuführen, wenn das Signal durch RC-gekoppelte Stufen hindurchgelangt ist. Die Kollektoranschlüsse der Tran­ sistoren Q1 und Q2 des ersten Differenzverstärkers sind direkt mit den Basisanschlüssen der Transistoren Q4 bzw. Q5 eines zweiten Transistorpaares verbunden. Die Tran­ sistoren Q4 und Q5 sind als Strom-Spannungs-Umsetztran­ sistoren geschaltet; ihre Basiskreise liegen an der Vor­ spannung V_CC. Zusätzlich sind die Kollektoranschlüsse der Transistoren Q1 und Q2 des ersten Differenzverstär­ kers 31 an einem zweiten Differenzverstärker 32 ange­ schlossen. Der Kollektoranschluß des Transistors Q1 ist dabei speziell an dem Basisanschluß des Transistors Q7 angeschlossen und der Kollektoranschluß des Transistors Q2 ist an der Basis des Transistors Q6 angeschlossen. Die Transistoren Q6 und 07 bilden damit den zweiten Differenz­ verstärker 32. Der Kollektorkreis des Transistors Q7 liefert das Ausgangssignal des zweiten Differenzverstär­ kers 32. Dieses Ausgangssignal wird von einem Widerstand R3 abgenommen, der an der Vorspannungsquelle V_CC liegt. Der Kollektoranschluß des Transistors Q7 ist außerdem mit dem Basisanschluß des Transistors 09 verbunden, der in einer Emitterfolgerkonfiguration geschaltet ist und dessen Ausgangssignal einer Gamma-Kompensationsschaltung 4 zugeführt wird. Der Transistor Q9 ist in einer Emit­ terfolgerkonfiguration geschaltet, wobei sein Emitter­ kreis über eine Konstantstromquelle an Erde bzw. Masse liegt. Das Ausgangssignal wird von dem Emitterkreis des betreffenden Transistors abgenommen. Das Luminanzsignal wird dann einer Gamma-Kompensation in der Gamma-Kompen­ sationsschaltung 4 entsprechend an sich bekannten Verfahren unterzogen und an einem Ausgangsanschluß 5 bereitgestellt. Demgemäß verläuft der Signalweg des Luminanzsignales von dem Vorverstärker 2 über den er­ sten Differenzverstärker 31 und einen zweiten Dif­ ferenzverstärker 32 sowie über den Emitterfolger­ transistor 09 zu der Gamma-Kompensationsschaltung 4 hin und steht somit am Ausgangsanschluß 5 zur Verfügung.

Die Luminanzsignal-Verstärkungsregelschaltung 10 steu­ ert die Verstärkung des hinsichtlich der Verstärkung veränderbaren Verstärkers 3, und zwar entweder manuell oder automatisch. Das der Gamma-Kompensationsschaltung 4 vom Ausgang des Emitterfolgertransistors Q9 her zuge­ führte Luminanzsignal wird ebenfalls als ein Eingangs­ signal einem zur automatischen Verstärkungsregelung dienenden Spannungsgenerator 11 zugeführt, in welchem das Luminanzsignal ermittelt und derart geglättet wird, daß eine automatische Verstärkungsregelspannung Ea ge­ wonnen wird, die einen dem Luminanzsignal entsprechen­ den Gleichspannungspegel aufweist. Die betreffende auto­ matische Verstärkungsregelspannung Ea wird einem ersten feststehenden Kontakt A eines Schalters S1 zugeführt, der mit einem zweiten feststehenden Kontakt M an dem beweglichen Kontakt bzw. Abgriff des Potentiometers R11 angeschlossen ist, der Teil eines Spannungsteilers bildet, welcher zwischen der Vorspannung V_CC und Erde bzw. Masse liegt. Demgemäß wird die Betätigung bzw. der Betrieb des Potentiometers R11 dazu führen, daß eine manuell veränderbare Spannung Em an dem festste­ henden Kontakt M des Schalters S1 vorhanden ist.

Der Ausgang des Schalters S1, der den automatischen Ver­ stärkungsregelbetrieb auswählt, und zwar entweder den automatischen oder den manuellen, ist mit dem Basisan­ schluß des Transistors Q11 verbunden, der mit dem Tran­ sistor Q12 den Differenzverstärker 12 bildet. Die Emit­ teranschlüsse bzw. Emitterleitungen der Transistoren Q11 und Q12 sind über entsprechende Widerstände mit der Stromquelle Q13 verbunden, die ebenfalls an Erde bzw. Masse liegt. Der Kollektor des Transistors Q11 ist mit einer Stromspiegelschaltung 13 verbunden, die aus den Transistoren Q14 und Q15 besteht, welche in der an sich bekannten Stromspiegel-Konfiguration geschaltet sind. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 12 wird über diese Stromspiegelschaltung 13 durch den Transistor Q15 als Strom 115 abgenommen. Der Kollektorkreis des Transistors Q15, über den der Strom I15 fließt, ist mit dem Kollektoranschluß des Transistors Q16 verbunden, des­ sen Basisanschluß mit dem Transistor Q3 derart verbunden ist, daß eine weitere Stromspiegelschaltung 14 gebildet ist.

Die Kollektorkreise der Transistoren Q15 und Q16 sind ebenfalls mit einer Konstantstromquelle Q21 und mit dem Auswahlarm des Schalters S2 verbunden. Ein feststehender Kontakt A des Schalters S2 ist mit einer Konstantstrom­ quelle Q22 verbunden und ein zweiter feststehender Kon­ takt M des Schalters S2 ist unbeschaltet belassen. Der Kontakt A entspricht dem automatischen Verstärkungsre­ gelbetrieb, und der Kontakt M entspricht dem manuellen Verstärkungsregelbetrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Es sei darauf hingewiesen, daß die Stromspiegelschaltung 14 den Strom I3 steuert bzw. regelt, der durch den ersten Differenzverstärker 31 des Luminanzverstärkers 3 fließt.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Verstärkungsregelschal­ tung 10 gemäß Fig. 1 kann die Verstärkung bzw. der Ver­ stärkungsfaktor A3 des eine veränderbare Verstärkung auf­ weisenden Verstärkers 3 wie folgt angegeben werden:

A3 = (R3/(R1 + R2)) (I8/I3) (1)

wobei I8 der Strom ist, der von der Konstantstromquelle Q8 her fließt und wobei I3 der Kollektorstrom des Tran­ sistors Q3 ist. Da die Transistoren Q14 und Q15 als Stromspiegelschaltung geschaltet sind, ist der Kollek­ torstrom I15 des Transistors Q15 gleich dem Kollektor­ strom des Transistors Q11, weshalb der Kollektorstrom I15 unmittelbar jeglichen Änderungen bzw. Schwankungen der Basisspannung des Transistors Q11 entsprechen wird. Wenn die Schalter S1 und S2 in die dem automatischen Verstärkungsregelungsbetrieb entsprechende Stellungen eingestellt sind, d. h. zu den A-Anschlüssen hin umge­ legt sind, dann wird der Strom I15 der automatischen Ver­ stärkungsregelungsspannung Ea entsprechen, da die auto­ matische Verstärkungsregelungsspannung Ea dem Basisan­ schluß des Transistors Q11 zugeführt wird. Nunmehr kann der Kollektorstrom I16 des Transistors Q16 wie folgt an­ gegeben werden:

I16 = I15 + I21 + I22 (2)

wobei I21 und I22 die von den Konstantstromquellen Q21 bzw. Q22 erzeugten Ströme sind. Da die Transistoren Q16 und Q3 unter Bildung einer Stromspiegelschaltung mitein­ ander verbunden sind, muß sodann jedoch andererseits der Strom I16 gleich dem Strom I3 sein. Damit wird die Bezie­ hung

I16 = I3 (3)

erhalten.

Auf der Grundlage der Gleichungen (1), (2) und (3) kann somit folgende Beziehung erhalten werden:

A3 = (R3/(R1 + R2)) I8/(I15 + I21 + I22)) (4).

Die Gleichung (4) veranschaulicht, daß sich die automa­ tisch gesteuerte Verstärkung A3 vermindert, wenn der Strom I15 ansteigt. Dies führt zu einer entsprechenden Abnahme der Verstärkung A3, wenn die automatische Ver­ stärkungsregelungsspannung Ea ansteigt, da der Strom I5 und die automatische Verstärkungsregelungsspannung Ea direkt aneinander entsprechen, wie dies oben erläutert worden ist. Dies bedeutet, daß am Ausgangsanschluß 5 ein Luminanzsignal mit einem nahezu konstanten Pegel unabhängig von der Helligkeit des Objektes erhalten wer­ den kann, welches Gegenstand des berücksichtigten Bildes ist.

Fig. 2 veranschaulicht grafisch die Grenzen bezüglich des Verstärkungsfaktors A3 des in der Verstärkung ver­ änderbaren Verstärkers für den Fall, daß die in Fig. 1 dargestellte Verstärkungsregelschaltung 10 im automati­ schen Betrieb arbeitet. Dabei zeigt der in Fig. 2 am weitesten links eingetragene Teil AGC speziell, daß die Verstärkung des Verstärkers 3 durch die automatische Ver­ stärkungsregelschaltung von minus 6 dB bis zu 20 dB ver­ ändert werden kann. Dies kann aus einer Betrachtung der Gleichung (4) ersehen werden, wobei angenommen ist, daß der Strom I15 = 0 ist. Sodann wird die Gleichung (4) zu:

Aa (max) = (R3/(R1 + R2)) (I8/(I21 + I22)) (5).

Unter der Annahme von typischen Widerstandswerten und durch Wahl der geeigneten Konstantquellen kann die Glei­ chung (5) zu einer maximalen Verstärkung von 20 dB im automatischen Betrieb führen.

Beim manuellen Verstärkungsregelbetrieb, d. h. dann, wenn die Schalter S1 und S2 auf die Anschlüsse M einge­ stellt sind, wird die Spannung Em dem Basiskreis des Transistors Q11 zugeführt, und die Stromquelle Q22 ist aus der Schaltung herausgenommen. Demgemäß kann der Wert des Stromes I16 wie folgt bestimmt bzw. angegeben werden:

I16 = I15 + I21 (6).

Unter Heranziehung der Gleichungen (2), (3) und (6) kann die Verstärkung bzw. der Verstärkungsfaktor wie folgt angegeben werden:

A3 = (R3/(R1+ R2)) (I8/(I1S + I21)) (7).

Da der Strom I15 dem Pegel der Spannung Em entspricht, kann demgemäß die Verstärkung bzw. der Verstärkungs­ faktor A3 manuell durch Einstellen des Potentiometers R11 gesteuert werden.

Die Veränderung der Verstärkung A3, die im manuellen Be­ trieb möglich ist, ist durch den mittleren Teil in Fig. 2 veranschaulicht. Demgemäß kann die Verstärkung von - 6 dB bis 26 dB verändert werden. Während der Ein­ stellung des Potentiometers R11 wird dann, wenn der Wert der Spannung Em klein gemacht wird, der Transistor Q11 abgeschaltet bzw. gesperrt. Der betreffende Transistor wird damit nicht-leitend, womit der Strom I15 zu Null wird. Die Verstärkung A3 wird damit zu:

Am (max) = (R3/(R1 + R2)) (I8/I21) (8).

Unter der Annahme von typischen Widerstandswerten und durch Wahl der geeigneten Konstantstromquellen kann die Gleichung (8) zu einer maximalen Verstärkung von 26 dB im manuellen Betrieb führen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wert der maximalen Verstärkung beim manuellen Betrieb größer ist als derjenige Wert, der beim auto­ matischen Betrieb möglich ist. Wenn es erwünscht ist, ein Bild eines Gegenstandes aufzunehmen, der ziemlich dunkel ist und der einen größeren Verstärkungsfaktor erfordern würde, als er durch die automatische Verstär­ kungsregelschaltung 10 bereitgestellt werden könnte, dann kann somit ein Bild eines derartigen dunklen Ge­ genstandes dadurch erhalten werden, daß die erfindungs­ gemäße Verstärkungsregelschaltung vom automatischen Be­ trieb (die Schalter S1 und S2 sind auf die Kontakte A eingestellt) auf den manuellen Betrieb (die Schalter S1 und S2 sind auf die Kontakte M eingestellt) umgeschal­ tet wird.

Darüber hinaus kann der Verstärkungsbereich im manuel­ len Betrieb noch weiter ausgedehnt werden, indem der Bereich der Spannung Em verbreitert wird, wie dies durch die gestrichelte Linie im rechten Teil der Fig. 2 veranschaulicht ist, gemäß der eine Verstärkung für den Verstärker 3 von - 10 dB bis 26 dB reicht. Diese nach unten gehende Auslenkung in der Verstärkung ermög­ licht die Aufzeichnung von übermäßig hellen Gegenstän­ den, wobei dieser erweiterte Bereich dadurch erzielt werden kann, daß die Anschlüsse an den Kontakten des Schalters S2 vertauscht werden. Dies bedeutet, daß die Konstantstromquelle Q22 mit dem M-Kontakt verbunden wird und daß der A-Kontakt unbeschaltet belassen wird. Dies führt zu einer Absenkung der minimalen Verstär­ kung der Verstärkungsregelungsschaltung, so daß ein Bild eines Gegenstandes, der heller ist als durch die automatische Verstärkungsregelschaltung zugelassen ist, dadurch aufgenommen werden kann, daß vom automatischen Betrieb in den manuellen Betrieb umgeschaltet wird. Da­ mit gestattet die Erfindung ferner den Einsatz einer Videokamera, um ein Luminanzsignal dann zu erhalten, wenn der Hauptgegenstand von einer Helligkeit ist, die eine Verstärkung fordert, welche außerhalb des typischen Be­ reiches der automatischen Verstärkungsregelungsschal­ tung liegt.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung eines Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung, der ein ihm zugeführtes Informationssignal mit sich änderndem Pegel verstärkt, wobei die Anordnung einen mit dem Ausgang des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung verbundenen Regelspannungsgenerator zur Erzeugung eines Rückführ-Verstärkungsregelsignals, einen manuell veränderbaren Widerstand zur Erzeugung eines manuellen Verstärkungsregelsignals und einen ersten Schalter enthält, dem eingangsseitig das Rückführ-Verstärkungsregelsignal und das manuelle Verstärkungsregelsignal zuführbar ist zur Auswahl des einen oder des anderen dieser Signale als Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärker (3) mit veränderbarer Verstärkung das Informationssignal mit einer Verstärkung verstärkt, die in einem ersten und einem zweiten Bereich veränderbar ist,
daß eine Verstärkungsregelschaltung (10) eine Regelschaltung mit bestimmter Verstärkung enthält, die ein Regelsignal bestimmter Verstärkung liefert, welches einen ersten oder einen zweiten Wertebereich hat,
daß ein zweiter Schalter (52) vorgesehen ist, der mit dem ersten Schalter (S1) zur Auswahl der ersten oder zweiten Bereiche für das Verstärkungsregelsignal dient,
daß der Verstärker (3) mit veränderbarer Verstärkung erste und zweite Differenz- Transistorverstärker (31, 32) enthält,
daß der erste Differenz-Transistorverstärker (31) mit relativem Erdpotential über eine Stromspiegelschaltung (14) verbunden ist, die so geschaltet ist, daß sie das Verstärkungsregelsignal (I16) für den Verstärker mit veränderbarer Verstärkung empfängt und auf dieses Signal hin die Verstärkung des ersten Differenz- Transistorverstärkers (31) ändert, und
daß eine Konstantstromquelle (Q22) der Regelschaltung mit bestimmter Verstärkung mit der Stromspiegelschaltung (14) über den zweiten Schalter (S2) derart verbunden ist, daß in der Stromspiegelschaltung ein bestimmter Strom (I22) fließt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsregelschaltung (10) einen dritten Differenz-Transistorverstärker (12) enthält, der mit dem Ausgang der Anordnung verbunden ist und daß eine zweite Stromspiegelschaltung mit dem Ausgang des dritten Differenz-Transistorverstärkers verbunden ist zur Erzeugung des dem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung zugeführten Verstärkungsregelsignals (I16).