DE3604832A1 - Kompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor zur Steuerung der Dynamik von Audiosignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der technischen Information 8 21 030 über die integrierte Schaltung NE 572 der Firma Valvo, Hamburg, ist aus dem Bild 14 die Schaltung eines derartigen Kompressors bekannt. Dieser bekannte Kompressor weist einen festen Kompressionsfaktor auf. Andere, ganzzahlige Kompressionsfaktoren lassen sich durch die Reihenschaltung mehrerer Kompressoren erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor anzugeben, der einen veränderbaren Kompressionsfaktor und für große Eingangspegel des Audiosignales eine begrenzende Betriebsweise aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 enthalten.

Durch den Einsatz von wenigen zusätzlichen Bauteilen läßt sich ein Kompressor mit einem veränderbaren Kompressionsfaktor aufbauen, der eine einfache Ansteuerung aufweist. Beim Einsatz einer Audioanlage mit einem solchen Kompressor in einem Kraftfahrzeug mit vom Fahrgeräusch abhängiger Verstärkungsregelung ergibt sich ein besserer Störabstand gegenüber Umgebungsgeräuschen und ein Betrieb ohne Übersteuerungen, womit auch bei sehr großen Audiosignalen eine störende Schalldruckzunahme vermieden wird.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Audioanlage mit einem erfindungsgemäßen Kompressor;

Fig. 2 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Kompressors;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung Kompressionsfaktors und

Fig. 4 die Pegel am Ausgang eines dem Kompressor nachgeschalteten Filters und

Fig. 5 und 6 weitere zwischen den Punkten E und C einsetzbare Schaltungen.

Die in Fig. 1 dargestellte Audioanlage mit einem Kompressor enthält einen Operationsverstärker 1. Sein invertierender Eingang ist über einen Widerstand R 3 mit der Eingangsklemme 2 verbunden, an der das Audiosignal U _E anliegt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 liegt auf Massepotential. Der Ausgang A des Operationsverstärkers 1 ist mit der Ausgangsklemme 3 verbunden, an der das Signal U _A abgenommen werden kann. Ein Filter 8 ist an die Ausgangsklemme 3 angeschlossen, das über den Punkt D mit dem Eingang eines Leistungsverstärkers 9 verbunden ist. An der Klemme 10 kann das verstärkte Audiosignal abgenommen und einem nicht dargestellten Lautsprecher zugeführt werden.

Antiparallel zum Operationsverstärker 1 ist ein in seinem Verstärkungsfaktor steuerbarer Verstärker 4 geschaltet. Dazu ist sein Eingang E 1 über den Widerstand R 1 mit der Ausgangsklemme 3 am Ausgang A des Operationsverstärkers 1 verbunden. Der Ausgang A 1 des Verstärkers 4 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 zusammengeschaltet. Die Steuerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 4 erfolgt durch einen vom Vollwellengleichrichter 5 erzeugten Pegel. Hierzu ist der Vollwellengleichrichter 5 mit seinem Gleichspannungsausgang an den Steuereingang S angeschlossen und mit seinem Wechselspannungseingang über den Eingang E 2 und über eine besondere Schaltung mit den Punkten B und C und mit der einstellbaren Stromquelle 6 verbunden. Der steuerbare Verstärker 4 zusammen mit dem Gleichrichter 5 ist als integrierte Schaltung erhältlich.

Der steuerbare Verstärker 4 kann aber auch durch einen steuerbaren Widerstand ersetzt werden, der beispielsweise aus der Reihenschaltung eines Widerstandes mit der Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors besteht, an dessen Gate-Elektrode der Pegel des Vollwellengleichrichters angelegt wird.

Die Stromquelle 6 liefert einen einstellbaren Strom I und liegt einseitig auf Massepotential. Sie weist eine Klemme 7 auf, an der ein den Betrag des Stromes I einstellendes Signal anlegbar ist.

Zwischen dem Eingang E 2 und dem Punkt B ist ein Widerstand R 2 und zwischen dem Eingang E 2 und dem Punkt C sind zwei antiparallel geschaltete Dioden D 1, D 2 vorhanden. Der zum Eingang E 2 weisende Zusammenschluß der Dioden D 1, D 2 ist als Punkt E bezeichnet. Die Punkte B und C können, wie es die durchgezogene Linie zeigt, mit dem Punkt D am Ausgang des Filters 8 oder, wie es die gepunktete Linie zeigt, mit der Ausgangsklemme 3 am Ausgang A des Operationsverstärkers 1 oder, wie es die gestrichelte Linie zeigt, mit dem Schleifer 11 eines an die Eingangsklemme 2 angeschlossenen Potentiometers P verbunden sein. Die Punkte B und C müssen nicht gemeinsam an die gleichen Stellen angeschaltet sein, sondern können auch jeweils mit verschiedenen Stellen verbunden werden.

Ist der Punkt B mit der Ausgangsklemme 3 verbunden, dann beträgt die Kompression 2:1, bezogen auf Pegelsprünge in dB. Ist der Punkt B mit dem Schleifer 11 verbunden, so ergibt sich eine einstellbare Kompression, die maximal im Signal U _A nennenswerten Pegelsprünge verhindert. Ist der Puntkt B mit dem Punkt D verbunden, so tritt eine Kompression in Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Filters auf, wodurch mit steigender Aussteuerung die Filterkurve komprimiert wird. Man kann hierdurch beispielsweise eine automatische Anhebung der tiefen Töne bei kleinen Signalen erreichen.

In Fig. 2 ist in einer bevorzugten Ausführungsform des Kompressors der Punkt B mit der Ausgangsklemme 3 und der Punkt C mit dem Punkt D verbunden.

Die an den Eingängen E 1 und E 2 anliegenden Signale werden miteinander multipliziert, so daß sich für einen Sprung im Audiosignal U _E an der Eingangsklemme 2 ein vom Betrag der Wurzel aus der Spannungsänderung des Eingangssprungs abhängiger Sprung im Signal U _A ergibt. Dieses gilt für Signalwerte am Punkt D, die unterhalb der Schwellwerte der Dioden D 1 und D 2 liegen, bei denen nur der Widerstand R 2 wirksam ist. Bei größeren Signalen am Punkt D bewirkt die Kennlinienkrümmung der Dioden D 1 und D 2, daß das dem Gleichrichter 5 über den Eingang E 2 zugeführte Signal einen exponentiellen Verlauf annimmt. Dies bedeutet, daß eine überproportionale Kompression bei größer werdenden Signalen am Punkt D eintritt. Bei genügend großer Steilheit der Diodenkennlinie geht der Kompressor bei großen Audiosignalen in die begrenzende Betriebsweise über. Dabei folgt einem Sprung des Audiosignales U _E an der Eingangsklemme 2 kaum noch ein Sprung des Signals U _A an der Ausgangsklemme 3.

Durch den Strom I der einstellbaren Stromquelle 6 kann die Grenze festgelegt werden, bei der der Kompressor in die komprimierende Betriebsweise übergeht. Alle oberhalb dieser Grenze hinausgehenden Sprünge werden so stark komprimiert. Alle unterhalb dieser Grenze liegenden Sprünge werden proportional übertragen. Wenn der Widerstand R 2 durch einen einstellbaren Widerstand R 2′ ersetzt und die Stromquelle 6 mit seinem Schleifer verbunden wird, dann kann dem Übergang in die komprimierende Betriebsweise ein stetiger Verlauf gegeben werden.

In Fig. 3 ist im Diagramm des Signals U _A über dem Audiosignal U _E der Verlauf der Kompression dargestellt. In Abhängigkeit vom in den Eingang E 2 eingespeisten Strom I der Stromquelle 6 ergibt sich für den Kompressor eine Arbeitsweise, die von keiner Kompression bis zu einer bestimmten Kompression reicht. Die Gerade a gibt die Einstellung des Kompressors auf keine Kompression und die Gerade d gibt die Einstellung einer bestimmten Kompression wieder. Die Geraden b und c stellen dazwischen liegende Werte dar. Es sei angemerkt, daß eine Vielzahl von Geraden möglich sind, von den der besseren Übersicht wegen lediglich die Geraden a bis d gezeigt sind.

Die Arbeitsweise des Kompressors gemäß der Geraden a wird durch die Einspeisung des maximalen Stromes I in den Eingang E 2 erreicht, während bei einer Einspeisung des minimalen Stromes I sich eine Arbeitsweise gemäß der Geraden d ergibt. Alle Geraden a bis d gehen in die waagerechte Gerade e über, die anzeigt, daß der Kompressor in diesem Bereich das Signal U _A auf einen bestimmten Wert, in Fig. 3 auf 35 dB, begrenzt. Durch eine bestimmte Einstellung des Widerstandes R 2 kann erreicht werden, daß die Geraden a bis d nicht mit einem Knick in die Gerade e übergehen, sondern daß ein weicher Übergang vorhanden ist, wie er beispielsweise durch die gestrichelte Linie zwischen den Geraden a und e in Fig. 3 eingezeichnet ist.

Beim Einsatz der Audioanlage mit dem beschriebenen Kompressor in einem Kraftfahrzeug kann an die Klemme 7 ein Signal angelegt werden, das vom Geräuschpegel im Kraftfahrzeug, von dessen Fahrgeschwindigkeit oder einem anderen dem Geräuschpegel entsprechenden Wert abhängt.

Die Stromquelle 6 speist in den Eingang E 2 bei einem niedrigen Geräuschpegel im Kraftfahrzeug den maximalen Strom I und bei einem hohen Geräuschpegel den minimalen Strom I ein. Daraus ergibt sich, daß der Verstärker 1 bei niedrigen Geräuschpegeln entsprechend der Geraden a ohne Verstärkung bis zur Begrenzung entsprechend der Geraden e arbeitet. Bei ansteigenden Geräuschpegeln arbeitet der Verstärker 1 entsprechend den Geraden b bis d, wodurch die Verstärkung kleiner Signale mehr zunimmt als die Verstärkung großer Signale, was eine zunehmende Kompression der Dynamik des Signales U _A bedeutet. Dies soll an zwei Beispielen erläutert werden.

Bei niedrigen Geräuschpegeln erscheinen die Pegel des Audiosignales U _E entsprechend der Geraden a unverändert als Pegel des Signales U _A. Hat beispielsweise das Audiosignal U _E einen Pegel von 5 dB, so hat auch das Signal U _A einen Pegel von 5 dB, siehe in Fig. 3 die Pfeile I. Entsprechend wird ein Pegelsprung von beispielsweise 5 auf 10 dB im Audiosignal U _E als Pegelsprung im Signal U _A von 5 auf 10 dB wiedergegeben, siehe Pfeile II. Für Audiosignale U _E mit einem 35 dB übersteigenden Pegel wird das Signal U _A auf diesen Wert begrenzt. Bei einem Pegelsprung im Audiosignal U _E von beispielsweise 35 auf 40 dB wird das Signal U _A auf den Pegel von 35 dB begrenzt.

Bei großen Fahrgeräuschen arbeitet der Verstärker 1 entsprechend der Geraden d, was für das Audiosignal U _E mit dem Pegel von 5 dB bedeutet, daß es verstärkt und als Signal U _A mit dem Pegel von 20 dB abgegeben wird, siehe Pfeile III. Ein Pegelsprung um 10 dB von 5 auf 15 dB im Audiosignal U _E führt zwar beim Signal U _A auf einen Pegel von 20 bis 25 dB, der Pegelsprung ist aber auf 5 dB komprimiert, siehe Pfeile IV. Auch in diesem Fall erfolgt eine Begrenzung des Signales U _A auf 35 dB, wenn der Pegel des Audiosignales U _E 35 dB erreicht.

Für die Schaltung gemäß Fig. 2 sind in Fig. 4 in einem Diagramm des Pegels P _D am Ausgang des Filters 8 über der Frequenz für drei Fälle die Pegelverläufe dargestellt. Das Filter 8 ist in diesem Beispiel eine baß- und höhenbetonende Ausführung. Im ersten Fall sei der Geräuschpegel niedrig und die Stromquelle 6 speist in den Eingang E 2 den maximalen Strom I ein. Am Punkt D am Ausgang des Filters 8 ist dann die Kurve P 1 meßbar. Die darüberliegende Kurve P 2 ergibt sich bei einem etwas höheren Geräuschpegel. Bei großen Geräuschpegeln ist am Punkt D die Kurve P 3 meßbar und es ist deutlich eine Komprimierung des Pegels P _D zu erkennen. Bei dieser Schaltung ergibt sich zusätzlich eine automatische Betonung der Bässe bei niedrigen Pegeln P _D. Ausgehend von der Kurve P 3 ergibt sich für die Frequenz von 50 Hz eine Absenkung von nur 15 dB um zur Kurve P 1 zu gelangen, während für die Frequenz von 1 kHz eine Absenkung von 20 dB vorhanden ist. Das heißt, bezogen auf die Frequenz 1 kHz ist die Frequenz 50 um 5 dB angehoben.

Bei Kraftfahrzeugen schwankt die Batteriespannung sehr stark, wodurch sich auch die Betriebsspannung der Audioanlage ändert. In Fig. 5 ist eine die Dioden D 1, D 2 ergänzende Schaltung gezeigt, die die sich ändernde Betriebsspannung berücksichtigt. Der Drain-Anschluß eines Feldeffekttransistors FET ist über den Widerstand R 4 mit der Betriebsspannung U _B und sein Source-Anschluß über den Widerstand R 5 mit Massepotential und über den Widerstand R 6 mit der Betriebsspannung U _B verbunden.

An den Gate-Anschluß ist der mit der Betriebsspannung U _B verbundene Widerstand R 7 und die auf Massepotential liegende Zenerdiode ZD angeschlossen. Die antiparallel geschalteten Dioden D 1, D 2 verbinden den Source-Anschluß über einen Kondensator C 1 mit den Punkt E, während der Punkt C mit dem Drain-Anschluß verbunden ist. Bei bspw. einer Betriebsspannung von 10 V setzt die begrenzende Betriebsweise des Kompressors schon bei 8 V_ss an der Klemme 10 ein, während bei einer Betriebsspannung von 14,4 V die Begrenzung erst bei 12 V_ss an der Klemme 10 wirksam wird. Dadurch ist immer eine verzerrungsfreie Wiedergabe mit maximal möglicher Ausgangsleistung möglich.

In Fig. 6 ist eine die Dioden D 1, D 2 ersetzende Schaltung dargestellt. Der Emitter des PNP Transistors T ist über den Widerstand R 8 mit der Betriebsspannung U _B und über die Zenerdiode Z mit Massepotential und sein Kollektor über den Widerstand R 9 mit Massepotential verbunden. An die Basis ist ein Spannungsteiler R 10, R 11 angeschlosssen und sie ist über einen Kondensator C 2 mit dem Punkt C verbunden. An den Kollektor ist über einen Kondensator C 3 der Punkt E angeschaltet. Bei dieser Schaltung bewirkt die Basis-Emitterstrecke den exponentiellen Verlauf des dem Gleichrichter 5 zugeführten Signales und dadurch wird nur eine Halbwelle des am Punkt C anstehenden Signales ausgenutzt. Aber auch bei dieser Schaltung wird die sich ändernde Betriebsspannung U _B berücksichtigt.

Claims (11)

1. Kompressor zur Steuerung der Dynamik von Audiosignalen mit einen Operationsverstärker und einem antiparallel geschalteten steuerbaren Verstärker, dessen Steuereingang mit einem Gleichrichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Gleichrichter (5) zugeführte Signal einen exponentiellen Verlauf aufweist und dem Gleichrichter (5) ein einstellbarer Strom (I) eingeprägt wird.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal erst ab einem bestimmten Eingangspegel des Audiosignales (U _E) am Operationsverstärker (1) den exponentialen Verlauf aufweist.

3. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gleichrichter (5) zwei antiparallel geschaltete Dioden (D 1, D 2) und ein Widerstand (R 2) angeschlossen sind.

4. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gleichrichter (5) ein Widerstand (R 2) und die Basis-Emitterstrecke eines PNP-Transistors (T) angeschlossen sind, dessen Basis-Spannungsteiler (R 10, R 11) an die Betriebsspannung (U _B) angeschlossen ist und dessen Emitter über eine Zenerdiode (Z) auf Massepotential liegt.

5. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß zwischen den Dioden (D 1, D 2) und dem Gleichrichter (5) die Source-Drainstrecke eines Feldeffektransistors (FET) vorhanden ist, dessen Gate-Anschluß über einen Widerstand (R 7) mit der Betriebsspannung (U _B) und über eine Zenerdiode (ZD) mit Massepotential verbunden ist.

6. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D 1, D 2) und der Widerstand (R 2) an den Ausgang (A) des Operationsverstärkers (1) angeschlossen sind.

7. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D 1, D 2) und der Widerstand (R 2) über ein Potentiometer (P) mit der Eingangsklemme (2) für das Audiosignal (U _E) verbunden sind.

8. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D 1, D 2) und der Widerstand (R 2) mit dem Ausgang (D) eines dem Kompressor nachgeschalteten Filters (8) verbunden sind.

9. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D 1, D 2) mit dem Ausgang (D) eines dem Kompressor nachgeschalteten Filters (8) und der Widerstand (R 2) mit dem Ausgang (A) des Operationsverstärkers (1) verbunden sind.

10. Kompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 2) einstellbar ist und die Stromquelle (6) für den einstellbaren Strom (I) mit dem Schleifer des Widerstandes (R 2′) verbunden ist.

11. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des einstellbaren Stromes (I) vom am Ort der Wiedergabe des Audiosignales herrschenden Umgebungsgeräusch oder einem diesem entsprechenden Signal verändert wird.