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Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erfassung von
Gleichstromversatz in einer Kraftfahrzeug-Audioanlage und insbesondere
auf die Verwendung eines Diagnosesignals von einem Leistungsverstärker zur
Bestimmung der Ausgangsbedingungen am Leistungsverstärker, wenn
diese von Gleichstromversatz betroffen sind.
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Audioanlagen
in Kraftfahrzeugen haben üblicherweise
einen Leistungsverstärker
zur Verstärkung von
Wechselstromsignalen, der aber jedes beliebige Signal verstärkt, das
am Verstärkereingang
angelegt wird. An diesem Verstärker
angeschlossene Audiolautsprecher (normalerweise 4 Ohm) können bei
bestimmten Gleichstromstärken
beschädigt
werden. Es werden nun normalerweise Kondensatoren eingangsseitig
am Verstärker
eingesetzt, um Gleichstromversatz im Verstärkereingangssignal zu entfernen,
so daß der
Gleichstromfluß zu
den Lautsprechern verhindert wird. Wenn diese Kondensatoren ausfallen
oder versehentlich nicht eingebaut sind, kann/können der Verstärker und/oder
die Lautsprecher erheblich beschädigt
werden. Derzeit haben die meisten Autostereoanlagen Schutzvorrichtungen
für Kurzschlüsse, aber
nicht für
Gleichstromversatz. Die gleichlaufende US-Patentanmeldung mit der
laufenden Nummer 09/505,305 liefert einen Weg, relativ großen Gleichstromversatz
zu erfassen. In bestimmten Situationen ist es aber wünschenswert,
eine Gleichspannungsversatzerfassung zu liefern, wenn nur ein schwaches
Tonsignal vorliegt, oder wenn keine besonders starke Amplitudenbegrenzung
des Tonsignals vorliegt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine automatische Erfassung eines
Gleichstromversatzes, wenn die Wechselstromsignale klein sind, oder
am Tonsignal keine erhöhte
Amplitudenbegrenzung (Kappen) vorgenommen wird. Nach einem Aspekt
erfaßt
das Verfahren einen Gleichstromversatz in einem von einer Tonverarbeitungseinheit
an einen Tonleistungsverstärker
abgegebenen Tonsignal, worin der Tonverstärker ein Kapperfassungssignal
an die Tonverarbeitungseinheit sendet. Das Verfahren beginnt damit,
das Kappsignal (Clip-Signal) probeweise zu messen, um zu bestimmen,
ob das Kapperfassungssignal aktiv ist. Wenn die Kapperfassung aktiv ist,
wird ein Leistungspegel des Tonverstärkers erfaßt. Als nächstes wird der Leistungspegel
mit einem vorgegebenen Leistungsschwellenwert verglichen. Ein Gleichstromversatz
wird dann erkannt, wenn der Leistungspegel unter dem vorgegebenen
Leistungsschwellenwert liegt.
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Wird
eine Amplitudenbegrenzung vorgenommen, solange die Tonstärke niedrig
ist, dann muß die Spannung
durch einen Gleichspannungsversatz verstellt worden sein. Die vorliegende
Erfindung verwendet eine Leistungserfassungsschaltung und eine Kapperfassung
zur Überwachung
des Leistungspegels und der Kappfrequenz am Tonsignal zur Bestimmung,
ob ein Gleichstromversatz vorliegt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nun beispielartig weiter im einzelnen beschrieben
werden, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen; dabei
zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm des Audiosystems nach der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm, welches Teile des Audiosystems in einer alternativen
Ausführungsform darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm, welches die Leistungserfassungsschaltung darstellt;
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4 ein
Flußdiagramm,
das den Betrieb der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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5 ein
Flußdiagramm,
welches den Betrieb einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen im
einzelnen
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1 stellt
ein Kraftfahrzeug-Audiosystem dar, welches eine Tonverarbeitungseinheit
oder Kopfeinheit 10 und Leistungsverstärker 11 und 14 aufweist,
welche jeweils Lautsprecher 12, 13, 15 und 16 treiben.
Die Leistungsverstärker 11 und 14 treiben
jeweils linke und rechte Stereolautsprecher für jeweils den vorderen und
den hinteren Lautsprechersatz.
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Die
Tonverarbeitungseinheit 10 enthält eine Tonquelle 17,
z.B. ein Radiogerät,
ein Kassettenlaufwerk, oder einen CD-Spieler. Ein Tonsignal von
der Quelle 17 wird einem Eingang einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung
(DSP) 20 zugeführt,
die jeweils linke und rechte Stereosignale abgibt. Eine Leistungserfassungsschaltung 29 ist
entweder zwischen der DSP 20 und einer Leistungsaufbereitungsschaltung 28 oder
innerhalb der DSP 20 angeordnet. Wie aus 3 ersichtlich
ist, beinhaltet die Leistungserfassungsschaltung 29 eine
Schaltungsanordnung zur Messung der allen Kanälen der Leistungsverstärker zugeführten Leistung.
Die Leistungserfassung ist in der Technik bekannt. Ein in Reihe
mit einer Quadrier- und Summierschaltung der Lautsprechersignale
gekoppelter Integrator reicht dafür aus. Kondensatoren 26 und 27 sind
zwischen der Leistungsaufbereitungsschaltung 28 und dem
Leistungsverstärker 14 und 11 angeordnet.
Die Leistungsaufbereitungsschaltung 28 beinhaltet Digital-Analog-Wandlerschaltungen
zur Umwandlung des DSP-Ausgangssignals in analoge Signale. Durch
die Kondensatoren können
Wechselstromsignale gehen, während
jede Art von Gleichstromfluß verhindert
wird, so daß eine
Gleichstrom-Verschiebung in den verstärkten Signalen vermieden wird.
Haben diese Kondensatoren Kurzschluß; fehlen oder sind beschädigt, dann
können
die Lautsprecher Gleichstrom ausgesetzt werden, der potentiell zu
einer Beschädigung der
Lautsprecher führen
kann.
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Eine
Mikrosteuerungseinheit (MCU) 21 steht mit der DSP 20 und
der Quelle 17 in Verbindung um den Betrieb der Audioanlage
zu steuern. Die MCU 21 empfängt Eingangsbefehle über die
Eingänge 22,
die z.B. Drucktastenbefehle vom Bediener oder eine Schnittstelle
mit einem Multiplexnetzwerk beinhalten können, über die Befehle auch von anderen
Stellen empfangen werden können.
Mit der MCU 21 ist auch eine Anzeige oder sogenanntes Display 23 verbunden,
welches) den Status der Tonverarbeitungseinheit anzeigt, so daß Tonparameter
wie z.B. die Lautstärke,
Balance (Stereoausgleich) oder Fading (Schwund) eingestellt werden
können.
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Die
Leistungsverstärker 11 und 14 liefern Ausgangssignale
an entsprechende Kappdetektoren. Die Ausgänge der Kappdetektoren (Clip-Detektoren)
zeigen solche Momente an, wo eine Amplitudenbegrenzung (Kappen)
des Ausgangssignales des entsprechenden Leistungsverstärkers vorliegt.
Die Kappdetektorausgänge
für die
Leistungsverstärker 11 und 14 sind
zusammengeschaltet, und mit einem spannungsseitigen Vorschaltwiderstand 24 (Pull-Up-Widerstand) und dem
Eingang der DSP 10 in der Tonverarbeitungseinheit 10 verbunden.
Die Kappdetektorausgänge
für die
Verstärker 11 und 14 sind
so ausgelegt, daß sie
eine Stromsenkung bewirken (d.h. eine direkte Verbindung zur Masse
herstellen), wenn eine Amplitudenbegrenzung auftritt. Auf diese
Weise wird beim Auftreten einer Amplitudenbegrenzung (Kappen) die
Spannung am Widerstand 24 gegen Masse gezogen, während der
Anschluß auf hoher
Spannung von der Spannungsversorgung +V liegt, wenn keine Amplitudenbegrenzung
(Kappen) vorliegt.
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2 zeigt
eine DSP-Begrenzungsfunktion, in welcher der Signalpegel in Reaktion
auf Kappen gesenkt wird. Ein Kappdetektorsignal vom Leistungsverstärker 11 in
Verbindung mit einem spannungsseitigen Widerstand (Pull-Up) 24 wird
der DSP 20 zugeführt
und in einer Begrenzungsrechnung eingesetzt, die die Stärke der
Amplitudenbegrenzung (Kappen) in Relation zu einem bestimmten Begrenzerwert setzt.
Insbesondere wird der Begrenzerwert von einem Maximalwert von 1,0
auf einen möglichen
Minimalwert von 0,1 reduziert, wenn eine vorgegebene Einschwingrate
bei der Amplitudenbegrenzung vorliegt, und wird bei einer niedrigeren
Ausklingrate, wenn keine Amplitudenbegrenzung vorliegt, wieder gegen
1,0 zurückgeführt. Auf
diese Weise erzeugt eine Begrenzungsrechnung 70 einen Begrenzerwert 71,
der in der DSP 20 gespeichert und als Multiplikatoreingang
für einen
Multiplikator 72 eingesetzt wird, um den Lautstärkebefehl
zu senken. Der Ausgang der Multiplikatorschaltung 72 wird
einem Multiplikator 73 zugeführt, der ihn mit dem Tonsignal
multipliziert, das dann dem Leistungsverstärker 11 durch die
Leistungsaufbereitungsschaltung 28 zugeführt wird.
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Die
vorliegende Erfindung analysiert Amplitudenbegrenzung (Kappen) und
den Leistungsausgang um festzustellen, ob ein Gleichstromversatz vorliegt.
Die Kappdetektorausgänge
werden im normalen Betrieb auf Aktivzustände überwacht. Programmroutinen
in der DSP 20 z.B. können
einen Zeitgeber und ein Zählwerk
benutzen, um die Zahl der aktiven Kapperfassungen zu sammeln und
zu zählen.
Ein materiell/analog zur Ausführung
gebrachter Zähler
und Zeitgeber kann ebenfalls verwendet werden, die Ausgänge des
Kappdetektors zu überwachen.
Zur Bestimmung, wann der Kappdetektorausgang abzutasten ist, wird
eine vorgegebene Rate angewendet. Die vorgegebene Rate kann z.B.
eine Laufzeit der DSP 20 sein, z.B. etwa alle 26 μs. Ist der Kappdetektorausgang
aktiv, wenn eine Probe gemacht wird, dann wird der Zähler aufgestockt.
Eine Anhäufung
einer vorgegebenen Zahl von Proben, z.B. 1.000, wird dazu verwendet
zu bestimmen, wann der Zähler
mit einem vorgegebenen Zeitgeber-Schwellenwert zu vergleichen ist.
Durch eine minimale Soll-Frequenz, mit welcher eine Amplitudenbegrenzung
erzeugt werden kann, wird ein vorgegebenes Zeitintervall bestimmt.
Ist die vorgegebene Frequenz 26 μs,
dann ist ein vorgegebenes Zeitintervall gleich 1000×26×10–6 bzw.
26 ms. Dies entspricht einer Frequenz von 38 Hz und ist die tiefste
Frequenz, die erfaßt
wird, wenn und sobald sie Kappen auslöst.
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Der
vorgegebene Zeitgeber-Schwellenwert kann abhängig von den Eigenschaften
des Verstärkers
und der Kapperfassung variieren. Es hat sich gezeigt, daß z.B. Werte
von etwa 30 Prozent bis etwa 50 Prozent der Gesamtzahl von Proben
eindeutig die Gegenwart eines Gleichstromversatzes anzeigen. Diese
Werte sind typisch, weil ein normales Signal ohne Gleichstromversatz
eine Amplitudenbegrenzung abhängig
von der An der Tonsignale und einem Maximalausgang des Tonverstärkers vornehmen kann.
Eine normale Kappzahl für
eine DSP-Begrenzungsfunktionsschaltung
liegt bei etwa 10 bis 15 Prozent. Jede Kappzahl über der normalen Kappzahl wird
demnach als ungewöhnlich
betrachtet und zeigt einen Gleichstromversatz an.
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Die
Leistungsdetektorschaltung 29 ermittelt die Gesamtleistungspegel,
die sich aus der Summe aller Eingangskanäle der Tonverstärker ergeben.
Der Leistungspegel wird abgelesen und mit einem Leistungsschwellenwert
verglichen. Der Leistungsschwellenwert wird ausgehend von einem
tiefstmöglichen
Leistungspegel gewählt,
bei dem es im normalen Betrieb zu keinerlei Amplitudenbegrenzung
(Kappen) kommt. Liegt der Leistungspegel unter diesem Schwellenwert,
und es kommt trotzdem noch zu Amplitudenbegrenzungen, dann liegt
ein Gleichstromversatz vor. Im typischen Falle wird 1 Watt am Verstärkerausgang
als Bezugswert als Leistungsschwellenwert eingesetzt. 1 Watt entspricht
einem Minimalleistungspegel, der in einem gängigen Tonverstärkersystem
vorkommen kann. Liegen legitime Tonsignale vor, die mehr als 1 Watt
produzieren, dann kann der Leistungsschwellenwert nachgestellt werden,
um sicherzustellen, daß hochpegelige
Signale nicht versehentlich als Gleichstrom-Versatz interpretiert
werden.
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4 zeigt
ein Verfahren zur Erfassung eines Gleichstromversatzes in einem
Tonverstärker. Bei
Schritt 40 wird ein Probenzähler/-Zeitgeber gestartet.
Bei Schritt 42 wird ein Amplitudenbegrenzungs- oder Kappsignal
abgetastet. Ist dann bei Schritt 44 die Kappsignalerfassung
aktiv, wird ein Zählwerk
bei Schritt 46 um Eins aufgestockt. Bei Schritt 48 wird
der Leistungspegel des Tonverstärkers
gemessen. Ist der Leistungspegel in Schritt 50 kleiner
als ein Leistungsschwellenwert, wird der Verstärker in Schritt 52 abgeschaltet.
Ist die Kappsignalerfassung in Schritt 44 nicht aktiv,
oder ist der Leistungspegel in Schritt 50 nicht kleiner
als der Leistungsschwellenwert, dann wird in Schritt 54 der
Probenzähler/-Zeitgeber
abgelesen. Hat der Probenzähler/-Zeitgeber
in Schritt 56 einen Zeitgeber-Schwellenwert noch nicht überschritten,
werden die Schritte 42–54 wiederholt,
bis der Zeitgeber die Zeitgeberschwelle überschritten hat. Sobald der
Probenzähler/-Zeitgeber
die Zeitgeberschwelle überschritten hat,
wird in Schritt 58 das Zählwerk abgelesen. In Schritt 60 wird
der abgelesene Zählerwert
mit einer vorgegebenen Schwelle verglichen, und wenn der Zählerwert
den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
wird der Tonverstärker
in Schritt 62 deaktiviert; wenn nicht, beginnt der Vorgang
von neuem mit Schritt 40.
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5 zeigt
ein alternatives Verfahren zur Erkennung eines Gleichstromversatzes
in einem Tonverstärker.
Ein Probenzähler/-Zeitgeber
wird hier bei Schritt 74 gestartet. Bei Schritt 76 wird
ein Kapperfassungssignal auf aktive Kappvorgänge hin abgetastet. Ist dann
bei Schritt 78 das Kapperfassungssignal aktiv, wird in
Schritt 80 ein Zählwerk
um Eins aufgestockt. Bei Schritt 82 wird ein Leistungspegel
des Tonverstärkers
gemessen. Liegt der Leistungspegel in Schritt 84 unter
einem Leistungsschwellenwert, dann wird in Schritt 86 ein
Leistungszähler
um Eins aufgestockt. Ist dagegen das Kapperfassungssignal in Schritt 78 nicht
aktiv, oder wenn der Leistungszähler
in Schritt 86 schon um Eins aufgestockt worden ist, wird
in Schritt 88 der Probenzähler/-Zeitgeber abgelesen.
Hat der Probenzähler/-Zeitgeber
in Schritt 90 einen Zeitgeberschwellenwert noch nicht überschritten,
dann werden die Schritte 76–88 solange wiederholt,
bis der Zeitgeber die Zeitgeberschwelle überschritten hat. Nachdem der
Probenzähler/-Zeitgeber
die Zeitgeberschwelle überschritten
hat, wird der Zähler
in Schritt 92 abgelesen. In Schritt 94 wird der
abgelesene Zählerwert
mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen, und wenn der gemessene Kappzählerwert
den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
dann wird in Schritt 96 der Tonverstärker deaktiviert; ansonsten
wird in Schritt 98 der Leistungszähler abgelesen, und wenn in
Schritt 100 der Leistungszählerwert größer als ein Leistungszählerschwellenwert
ist, wird der Tonverstärker
in Schritt 96 abgeschaltet. Der Leistungszählerschwellenwert wird
aus dem kleinsten Signal abgeleitet, das bei einem normal arbeitenden
Tonverstärker
noch eine Amplitudenbegrenzung bzw. Kappen auslösen würde. Der Zählerschwellenwert ermöglicht,
daß ein
Signal, das vorübergehend
unter dem Leistungsschwellenwert liegt, zu den Lautsprechern hin
durchgehen kann. Wenn der Leistungszähler einen Wert erreicht, der
größer als
der Leistungszählerschwellenwert
ist, kann davon ausgegangen werden, daß ein Gleichstromversatz vorliegt.