Устройство автоматической регулировки усиления Советский патент 1984 года по МПК H03G3/20 

1

Изобретение относится к рациотек нике и может быть использовано.для сжатия динамического диапазона сигнала в устройствах различного назначения .

Известно устройство автоматической регулировки усиления, содержащее регулируемый усилитель, канал управления усилением, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, канал управления временем восстановления, выход которого подключен к оптоэлектронной паре, резистор, которьй подключен параллельно RC-цепи, задающей время восстановления регулировки l .

В данном устройстве реализуется зависимая от амплитуды сигнала регулировка постоянной времени восстановления, позволяющая существенно ослабить влияние мощных импульсных сигналов на качество регулировки .

Однако снижение времени восстановления приводит к повышению уровня гармонических и интермодуляционных искажений при регулировке сигналов, содержащих преимущественно низкочастотные составляющие.

Наиболее близким по технической сзтцности к предложенному является устройство автоматической регулировки усиления, содержащее управляемый фильтр нижних частот, соединенные последовательно усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которого являются входом и выходом устройства соответственно и первый амплитудный детектор. Между входом устройства и управляющим входом управляемого фильтра нижних частот включен пороговый элемент, Между входом .управляемого фильтра нижних частот включен элемент сравнения 2 .

Недостатком данного устройства являются значительные искажения полезного сигнала, возникающие в низкочастотной части спектра, так как регулирующее напряжение может подаваться в моменты времени, когда уровень сигнала не равен нулю.

Цель изобретения - уменьшение искажений сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической регулировки усиления, содержа244292

щее.управляемый фильтр нижних частот, соединенные последовательно усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которого 5 являются входом и выходом устройства соответственно, и первый амплитудный детектор, введены блок выборки и хранения, вход и вь1ход которого соединен с выходом управляемого

О фильт1 а нижних частот и управляющим входом усилителя с регулируе-. мым коэффициентом передачи соответственно , компаратор, вход и выход которого соединены с входом устрой5 ства и управляющим входом блока выборки и хранения соответственно, соединённые последовательно частотньш корректор, вход которого соединен с входом устройства, второй

0 амплитудный -детектор и функциональ.ньш преобразователь, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фильтра, нижних частот. выход первого амплитудного детек5 тора соединен с входом управляемого фильтра нижних частот.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства автоматической регулировки усиленияJi

0 на фиг. 2 - графики, поясняющие работу -устройства.

Устройство автоматической регулировки усиления содержит усилитель 1с регулируемым коэффициентом пере5 дачи, первый амплитудный детектор 2, блок 3 выборки и хранения, компаратор 4, частотный корректор 5, второй амплитудный детектор 6, функциональньй .преобразователь 7, уп0 равляемый фильтр 8 нижних частот, включающий управляемый резистор 9, конденсатор ТО и резистор 11.

Устройство автоматической регулировки усиления работает следующим

5 образом.

Входной сигнал поступает на вход усилителя 1, с выхода которого усиленное напряжение прикладывается к входу первого амплитудного детек0 тора 2. Входной сигнал представляет собой случайную функцию с амшштуд. ным распределением, представленным на фиг. 2е. На фиг. 2а представлена одна из вероятных и наиболее простых 5 реализаций сигнала

U(t) A(t) sin u t, где A(t) - закон изменения амплитуд сигнала во времени. Напряжение на выходе первого амп литудного детектора представляет собой убьтающую для представленного сигнала функцию, модулированную пилообразным напряжением (фиг. 26) с амплитудой-пульсаций U. Полученная форма сигнала обусловлена процессами заряда и разряда конденсатора 10 через резистор 11 и управля мый резистор 9 в управляемом фильтре 8 соответственно. Наличие значительных амплитуд бросков напряжения (пульсаций), приходится по времени на максимумы входного сигнала, приводит к быстрому изменению коэффициента передачи усилителя 1 в эти моменты, искажению формы сигнала и появлению продуктов нелинейных искажений, если указанное напряжени подается непосредственно на управляющий вход усилителя 1. Рассмотренный принцип регулировки усиления, используемый в большинстве существующих усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ), а также прототипе, кроме га рмонических искажений вносит существенные интермодуляционные искажения, если сигнал представляет собой некоторую совокупность частот. Такая ситуация наиболее вероятна и приводит к появлению комбинационных составляющих .на частотах, отличающихся от состав ляющих спектра входного сигнала. Это ухудшает качество звучания программы более существенно, чем появление гармонических искажений равной мощности. Снижения уровня искажений можно достичь путем уменьшения уровня пул саций и переноса времени появления скачков напряжения на моменты, когда сигнал имеет наименьшее значени т.е. О, t,, t, t, ... (фиг. 2а). В предложенном устройстве входное напряжение сравнивается в компараторе 4 с постоянным уровнем нап ряжения, близким к нулю. Указанное напряжение устанавливается равным йачальному смещению нуля компара тора 4 и может быть зависимым от температуры для снижения температур ного дрейфа компаратора 4. В -резул тате сравнения в моменты О, t, t tj на выходе компаратора 4 появляются запускающие импульсы. Амтьлиту да и длительность последних выбира ется из условия согласования с блоком 3 выборки и хранения, на управляющий вход которого они поступают. Входным сигналом блока 3 является напряжение на конденсаторе 10 (фиг. 26). Блок 3, управляемый компаратором 4, производит выборку и запоминание мгновенных значений указанного напряжения в моменты О, t,, t, t (фиг. 2а). Сигнал на выходе блока 3 имеет вид, показанной на фиг. 2в, и подается на управляющий вход усилителя 1. Полученный таким образом сигнал управления имеет меньшую амплитуду пульсаций) и„ н зависящую от частоты сигнала. Кроме того, скачкообразное изменение управляющего напряжения соответствует моментам минимума мощности обрабатываемого сигнала. Эти свойства полученного напряжения позволяют существенно снизить уровень интермодуляционных искажений. Кроме того, преимуществом предложенного устройства является монотонное убьгоание уровня пульсаций управляющего напряжения uj, при выравнивании огибающей выходного сигнала. Последнее возможно как при обработке слабоизменяюпрхся входных сигналов, так и при увеличении коэффициента сжатия. Тогда динамический диапазон выходного сигнала стремится к нулю. Очевидно, что с1АШ . „ .. -0, , где A(t) огибающая выходного сигнала. Существенное снижение амрлитуд пульсаций приводит к тому, что управлякщее напряжение (фиг, 2г) будет представлять собой некоторую функцию времени, практически не содержащую составляющих, кратным частоте обрабатьгоаемого сигнала и вносить поэтому наименьшие искажения. Уровень пульсаций в устройстве-прототипе постоянен и не зависит ни от аьишитудного распределения обрабатьшаемого сигнала, ни от коэффициента сжатия (фиг. 26)., Поэтому выигрыш, даваемый предложенным устройством, усиливается при увеличении коэффициента сжатия устройством, реализуемом известными, способами, например, увеличением крутизны peryjrapoвочной характеристики усилителя 1.

Величиной резистора 11 задается определенное значение постоянной времени установления. Выбор последнего может определяться методом экспертных оценок по наилучшему качеству звучания программы в случае использования устройства для звуковоспроизведения.

Входной сигнал поступает также на частотный корректор 5, имегадий амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), близкую к АЧХ дифференцирующего звена, и с его выхода - на второй амштитудный детектор 6, постоянная времени установления которого порядка единиц мс, восстановления - порядка сотен мс. Выпрямленное напряжение подается на сигнальный вход функционального преобразователя 7. Передаточная характеристика функционального преобразователя 7 представляет собой степенную .функцию от входного сигнала Ug Ua)( , где п - показатель степени.

Особенности использования рассмот ренных элементов обусловлены следующим .

Амплитудное распределение входного сигнала имеет экспоненциальньй характер.

, 6 jm

А

WW

6, 6i ,

,

где X

мгновенное значение сигнала нормированное относительно его среднеквадратичного значения.

На фиг. 2е представлено распределение мгновенных значений амплитуд сигнала x(t). Значения х вьфажены через среднеквадратичное отклонение 6 , а плотность вероятности умножена на d .

Из фиг. 2е следует, что вероятность появления амплитуд, превышающих +3 (J незначительна, .вместе с тем, именно при появлении больших амплитуд малой длительности требуется автоматическое снижение постоя ной времени восстановления Lg(,(;j,c целью сохранения динамических контрастов после прохождения импульсных сигналов. Вследствие малой длительности, указанные составлянлцие сигнала в очень небольшой степени учасвуют в формировании субъективного впечатления громкости, однако в 13ванное ими длительное время восстановления приводит к резкому и продолжительному снижению уровня сигнала вслед за импульсным воздействием. На фиг. 2д представлены кривые изменения напряжения регулирова ния по слабому (до момента t) и импульсному (после момента t ) (;игналам при неизменной постоянной времени восстановления, откуда видно, что длительное вр-емя восстановления после импульсного воздействия прводит к продолжительному снижению уровня слабого не требующего регулировки сигнала, т.е. возникновению искажений динамики сигнала (динамические искажения), ухудшающих качество звучания обработанного сигнала.

Используемое в некоторых устройствах для устранения указанного вида искажений линейное снижение постоянной времени восстановленияьрд с ростом амплитуды сигнала обладает существеннь1м недостатком. Ее применение в области малых, наиболее вероятных значений амплитуд х О + 3d не дает положительного эффекта, а при менее вероятных и значительных амплитудах наблюдается недостаточная регулировка по импульсным сигналам. Для устранения этого недостатка, передаточная характеристика функционального преобразователя 7 выполнена нелинейной и имеет вид, представленньй на фиг. 2ж. Причем показатель степени п указанной зависимости Ugb(x Ugjj , как видно из фиг. 2ж, прямо влияет на характер измененияСдд(р при малых и больших амплитудах сигнала, так как нащ яжение с выхода функционального преобразователя 7 является сигналом, управляющим постоянной времени восстановления t путем изменения

®осст

сопротивления управляемого резистора 9.

Наилучшее значение показателя п определяется оператором путем использования метода экспертных оце. нок по наилучшему субъективному восприятию программу группой экспертов. При этом мгновенная постоянная вр1емени восстановления уменьшается (фиг. 2д), одновременно существенно снижаются искажения динамики сигнала.

Таким образом, предложенное устройство позволяет реализовать эффективное управление постоянной времени восстановления на импульсных сигналах, что приводит.к уменьшению искажения сигнала. Снижение времени восстановления, связанное с регулировкой, а также обработка весьма низких частот могут дать нелинейные искажения, амплитуда которых существенно снижается, во-первых, путем получения зшравляющего напряжеНИН.ступенчатой формы (фиг. 2в) , амплитуда ступенек которого в отличие от прототипа не зависит от частоты сигнала, во-вторых, введением частотного корректора, монотонно снижающего амплитуду низкочастотных составлякмдих , поступающих череа второй амплитудный детек тор на функ1щональный преобразователь 7 ,.

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ, содержащее управляемый фильтр нижних частот, соединенные последовательно усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которого являются входом и выходом устройства соответственно, и первый амплитудный детектор, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений сигнала, в него введены блок выборки и хранения, вход и выход которого соединены с выходом управеляемого фильтра нижних частот и управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи. соответственно, компаратор, вход и выход которого соединены с входом устройства и управляющим входом блока выборки и хранения соответственно , соединенные последовательно частотный корректор, вход которого . соединен с входом устройства, второй амплитудный детектор и функцио5 нальный преобразователь, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фильтра нижних частот, выход первого амплитудного детектора соединен с входом управляемого фильтра нижних частот.