Устройство автоматической регулировки усиления

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) 01) g g И 03 G 3/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

5 с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3638087/24-09 (22) 15 ° 08.83. (46) 15. 11. 84. Бюл. Ф 42 (72) Г.Д. Петрухин и Н.В. Шиянов (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.396.666(088.8) (56) 1. Есаков В.Ф. и др. Автоматическая регулировка усиления в усилителях НЧ. М., "Энергия", 1970, с. 47.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 566305 кл. Н 03 G 3/20, 1977 (прототип). (54)(57) 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения искажений сигнала, в него введены блок выборки и хранения, вход и выход которого соединены с выходом управляемого 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 функциональный преобразователь; выход которого соединен с управляющим входом управляемого фильтра нижних частот, выход первого амплитудного детектора соединен с входом управляемого фильтра нижних частот.

1124429

1О

20

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

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

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 сиг налов, содержащих преимущественно низкочастотные составляющие.

Наиболее близким по технической сущности 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 издбретения — уменьшение искажений сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в 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, введены блок выборки и хранения, вход и выход которого соединен с выходом управляемого фильтра нижних частот и управляющим входом усилителя с регулируе-. мым 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 функциональный преобразователь, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фильтра, нижних частот, выход первого амплитудного детектора соединен с входом управляемого фильтра нижних частот.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства автоматической регулировки усиления; на фиг. 2 — графики, поясняющие работу .устройства.

Устройство автоматической регулировки усиления содержит усилитель

1 с регулируемым коэффициентом передачи, первый амплитудный детектор

2, блок 3 выборки и хранения, компаратор 4, частотный корректор 5, второй амплитудный детектор 6, функциональный .преобразователь 7, управляемый фильтр 8 нижних частот, включающий управляемый резистор 9, конденсатор 10 и резистор 11.

Устройство автоматической регулировки усиления работает следующим образом.

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

U(t) = A(t) sin у t, где A(t) — закон изменения амплитуд сигнала во времени.

1124429

Напряжение на выходе первого амп-:— литудного детектора представляет !. собой убывающую 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 управляе. мый резистор 9 в управляемом фильт - 10 ре 8 соответственно. Наличие значительных амплитуд бросков напряжения(пульсаций), приходится по времени на максимумы входного сигнала, при.водит к быстрому изменению коэффи- 15 циента передачи усилителя 1 в эти моменты, искажению формы сигнала и появлению продуктов нелинейных искажений, если указанное напряжение подается непосредственно на управ- 20 ляющий вход усилителя 1.

Рассмотренный принцип регулировки усиления, используемый в большинстве существующих усилителей с . автоматической регулировкой усиле- 25 ния (АРУ), а также прототипе, кроме гармонических 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. лякнцих спектра входного сигнала.

Это ухудшает качество звучания программы более существенно, чем появление гармонических искажений равной мощности.

Снижения уровня искажений можно 40 достичь путем уменьшения уровня пульсаций и переноса времени появления скачков напряжения на моменты, ког-, да сигнал имеет наименьшее значение, т.е. О, t1, t<, t>, ... (фиг. 2а). 45

В предложенном устройстве входное напряжение сравнивается в компараторе 4 с постоянным уровнем напряжения, близким к нулю. Указанное напряжение устанавливается равным 50 начальному смещению "нуля." компаратора 4 и может быть зависимым от температуры для снижения температурного дрейфа компаратора 4. В результате сравнения в моменты О, t», tn, 55

t на выходе компаратора 4 появляются запускающие импульсы. Амплитуда и длительность последних выбирается 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, г З(ф 2 )

Сигнал на выходе блока 3 имеет вид, показанный на фиг. 2в, и подается на управляющий вход усилителя

1. Полученный таким образом сигнал управления имеет меньшую амплитуду

1 пульсаций П„ с П„, не зависящую от частоты сигнала. Кроме того, скачкообразное изменение управляющего напряжения соответствует моментам минимума мощности обрабатываемого сигнала. Эти свойства полученного напряжения позволяют существенно снизить уровень интермодуляцнонных искажений.

Кроме того, преимуществом предложенного устройства является монотонное убывание уровня пульсаций управляющего напряжения П„ при вы9 равнивании огибающей выходного сигнала. Последнее возможно как при обработке слабоизменяющихся входных сигналов, так и при увеличении коэффициента сжатия. Тогда динамический диапазон выходного сигнала стремится к нулю. Очевидно, что айм. при — - «О, U О где A(t)

3 и огибающая выходного сигнала.

Существенное снижение амплитуд пульсаций приводит к тому, что управляющее напряжение (фиг. 2г) будет представлять собой некоторую функцию времени, практически не содержащую составляющих, кратным частоте обрабатываемого сигнала и вносить поэтому наименьшие искажения. Уровень пульсаций в устройстве-прототипе постоянен и не зависит ни от амплитудного распределения обрабатываемого сигнала, ни от коэффициента сжатия (фиг. 26)., Поэтому выигрыш, даваемый предложенным устройством, усиливается при увеличении коэффициента сжатия устройством, реализуемом известными. способами,- например, увеличением крутизны регулировочной характеристики усилителя 1.

1124429

А -Йзх!1 6 42 х1 4(x) = exp — — 1e е р -.—

42 где х — мгновенное значение сигнала, З5 нормированное относительно его среднеквадратичного значения.

На фиг. 2е представлейо распределение мгновенных значений ампли- 40 туд сигнала x(t). Значения х выражены через среднеквадратичное отклонение g, а плотность вероятнос-. ти умножена на б

Из фиг. 2е следует, что вероят- 45 ность появления амплитуд, превышающих +3 d незначительна, .вместе с тем, именно при появлении больших амплитуд малой длительности требуется автоматическое снижение постоян-50 и ной времени восстановления ь „с,.тс целью сохранения динамических контрастов после прохождения импульсных сигналов. Вследствие малой длительности, указанные составляющие сиг- 55 нала в очень небольшой степени участвуют в формировании субъективного впечатления громкости, однако вЬ|зВеличиной резистора 11 задается определенное значение постоянной времени установления. Выбор последнего может определяться методом экспертных оценок по наилучшему качест- 5 ву звучания программы в случае использования устройства для звуковоспроизведения.

Входной сигнал поступает также на частотный корректор 5, имеющий амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), близкую к АЧХ дифференцирующего звена, и с его выхода — на второй амплитудный детектор 6, постоянная времени установления которо- 15 го порядка единиц мс, восстановления — порядка сотен мс. Выпрямленное напряжение подается на сигнальный вход функционального преобразователя 7. Передаточная характеристика 20 функционального преобразователя 7 представляет собой степенную функоТ входного сиги где А показатель степени.

Особенности использования рассмот-25 ренных элементов обусловлены следующим.

Амплитудное распределение входного сигнала имеет экспоненциальный характер. 30 ванное 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 им4 пульсному (после момента t ) сигна1 лам. при неизменной постоянной времени восстановления, откуда видно, что длительное время восстановления после импульсного воздействия приводит к продолжительному снижению уровня слабого не требующего регулировки сигнала. т.е, возникновению ис.кажений динамики сигнала (динамические искажения), ухудшающих качество звучания обработанного сигнала.

Используемое в некоторых устройствах для устранения указанного вида искажений линейное снижение постоянл ной времени восстановлениями, с ростом амплитуды сигнала обладает существеннЫм недостатком. Ее применение в области малых, наиболее вероятных значений амплитуд х = О + Зо не дает положительного эффекта, а при менее вероятных и значительных амплитудах наблюдается недостаточ1 ная регулировка по импульсным сигналам. Для устранения этого недостатка передаточная характеристика функционального преобразователя 7 выполнена нелинейной и имеет вид, представленный на фиг. 2ж. Причем показатель степени r) указанной зави. симости Ug„п, = U „, как видно из фиг. 2ж, прямо влйяет на характер изменения тпри малых и больших амплитудах сигнала, так как нап11яжение с выхода функционального преобразователя 7 является сигналом, управляющим постоянной времени восстановления ь путем изменения

"Эосст сопротивления управляемого резистора 9.

Наилучшее значение показателя и определяется оператором путем использования метода экспертных оце.нок по наилучшему субъективному восприятию программы группой экспертов. При этом мгновенная постоян. ная времени восстановления уменьшается (фиг. 2д), одновременно существенно снижаются искажения динамики сигнала.

Таким образом, предложенное устройство позволяет реализовать эффек1124429

2 у

-Я У 2 4Ф

9èå.ß

)ЩЯИПИ Заказ 8 9 44 Т аж 861 Подписное

4илиал ППП Патеат, г.Ужгород, .ул. Проектная, 4 тивное 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, пу-. тем получения управляющего напряжения. ступенчатой формы (фиг. 2в), амплитуда ступенек которого в отличие от.прототипа не зависит от частоты сигнала, во-вторых, введением

5 частотного корректора, монотонно снижающего амплитуду низкочастотных составляющих, поступающих через второй амплитудный детек— тор на функциональный преобразователь 7 °