Устройство автоматической регулировки усиления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (и) За) Н 03 С 3/20 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(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 В 566305, кл. Н 03 С 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 ятем, что, с целью уменьшения искажений сигнала, в него введены блоквыборки и хранения, вход и выходкоторого соединены с выходом управ.ляемого фильтра нижних частот и управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачисоответственно, компаратор, вход ивыход которого соединены с входомустройства и управляющим входомблока выборки и хранения соответственно, соединенные последовательночастотный корректор, вход которогосоединен с входом устройства, второй амплитудный детектор и функциональный преобразователь; выход которого соединен с управляющим входом управляемого фильтра нижнихчастот, выход первого амплитудногодетектора соединен с входом управляемого фильтра нижних частот.1 О 15 25 30 35 20 40 50 55 Изобретение относится к радиотехнике 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 КС-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 сигналов, 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 изобретения - уменьшение искажений сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической регулировки усиления, содержащее,управляемый Фильтрнижних частот. соединенные последовательноусилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которогоявляются входом и выходом устройства соответственно, и первый амплитудный детектор, введены блок выборки и хранения, вход и выход которого соединен с выходом управляемогоФильтра нижних частот и управляющим входом усилителя с регулируе-.мым коэффициентом передачи соответственно, компаратор, вход и выходкоторого соединены с входом устройства и управляющим входом блока выборки и хранения соответственно,соединенные последовательно частотный корректор, вход которого соединен с входом устройства, второйамплитудный детектор и Функциональный преобразователь, выход которого соединен с управляющим входомуправляемого фильтра, нижних частот,выход первого амплитудного детектора соединен с входом управляемого Фильтра нижних частот.На Фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройстваавтоматической регулировки усиления;на Фиг. 2 - графики, поясняющиеработу .устройства,Устройство автоматической регулировки усиления содержит усилитель1 с регулируемым коэффициентом передачи, первый амплитудный детектор2, блок 3 выборки и хранения, ком-паратор 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 следующимобразом,Входной сигнал поступает на входусилителя 1, с выхода которого усиленное напряжение прикладываетсяк входу первого амплитудного детектора 2. Входной сигнал представляетсобой случайную Функцию с амплитудным распределением, представленнымна Фиг. 2 е. На Фиг. 2 а представленаодна из вероятных и наиболее простыхреализаций сигналаН(С) = А(с) здп у е,где А(С) - закон изменения амплитудсигнала во времени,Напряжение на выходе первого амп-:литудного детектора представляет.собой убывающую для представленногосигнала функцию, модулированную пилообразным напряжением (фиг. 26) самплитудой пульсаций П 1,. Полученная форма сигнала обусловлена процессами заряда и разряда конденсатора 10 через резистор 11 и управляемый резистор 9 в управляемом фильт - 1 Оре 8 соответственно. Наличие значительных амплитуд бросков напряжения(пульсаций), приходится по временина максимумы входного сигнала, при.водит к быстрому изменению коэффициента передачи усилителя 1 в этимоменты, искажению формы сигналаи появлению продуктов нелинейныхискажений, если указанное напряжениеподается непосредственно на управляющий вход усилителя 1.Рассмотренный принцип регулировки усиления, используемый в большинстве существующих усилителей савтоматической регулировкой усиления (АРУ), а также прототипе,кроме гармонических искажений вно.сит существенные интермодуляционные искажения, если сигнал представляет собой некоторую совокупность частот. Такая ситуация наиболее вероятна и приводит к появлению комбинационных составляющихна частотах, отличающихся от составляющих спектра входного сигнала.Это ухудшает качество звучанияпрограммы более существенно, чемпоявление гармонических искаженийравной мощности.Снижения уровня искажений можно 40достичь путем уменьшения уровня пульсаций и переноса времени появленияскачков напряжения на моменты, ког-,да сигнал имеет наименьшее значение,т.е. О, 1, , ,(фиг. 2 а). 45В предложенном устройстве входное напряжение сравнивается в компараторе 4 с постоянным уровнем напряжения, близким к нулю. Указанноенапряжение устанавливается равным 50начальному смещению "нуля." компаратора 4 и может быть зависимым оттемпературы для снижения температурного дрейфа компаратора 4. В результате сравнения в моменты О, С, 1, 55с 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). Бпок 3, управляемый компаратором 4, производит выборку и запоминание мгновенных значений указанного напряжения в моменты О, с 1, с, С у (фиг. 2 а).Сигнал на выходе блока 3 имеет вид, показанный на фиг. 2 в, и подается на управляющий вход усилителя 1. Полученный таким образом сигнал управления имеет меньшую амплитуду1пульсаций 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 вьг 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, чтоаь 1при - - О, П - 0 где А(й)3 ф д фогибающая выходного сигнала. Существенное снижение амплитуд пульсаций приводит к тому, что управ. ляющее напряжение (фиг. 2 г) 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 1.1 О где х - мгновенное значение сигнала, З 5нормированное относительноего среднеквадратичного значения. На фиг. 2 е представлейо распределение мгновенных значений ампли40 туд сигнала х(й). Значения х выражены через среднеквадратичное отклонение 0 , а плотность вероятнос-. ти умножена на бИз фиг. 2 е следует, что вероят ность появления амплитуд, превышающих +3 б незначительна, .вместе с тем, именно при появлении больших амплитуд малой длительности требуется автоматическое снижение постоян 50лной времени восстановления ь , с целью сохранения динамических контрастов после прохождения импульсных сигналов. Вследствие малой длительности, указанные составляющие сиг нала в очень небольшой степени участвуют в формировании субъективного впечатления громкости, однако вызВеличиной резистора 11 задается определенное значение постоянной времени установления. Выбор последнего может определяться методом экспертных оценок по наилучшему качест ву звучания программы в случае использования устройства для звуко- воспроизведения.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 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 функцию от входного сигнала Б ,х= Угде Ппоказатель степенй.Особенности использования рассмотренных 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. 2 д представлены кривые изменения напряжения регулирова/ния по слабому (до момента С ) и им 4пульсному (после момента) сигна 1лам. 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 искажений 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 + Зд 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, представленный на фиг. 2 ж. Причем показатель степени 0 указанной зави симости Пы = П, как видно из фиг. 2 ж, прямо влйяет на характер изменениями .при малых и больших амплитудах сигнала, так как нащ 1 яжение с выхода функционального преобразователя 7 является сигналом, управляющим постоянной времени восстановления ь путем изменения"зосстсопротивления 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. 2 д), одновременно существенно снижаются искажения динамики сигнала.Таким образом, предложенное устройство позволяет реализовать эффек1124429 ЩЯИПИ Заказ 8 9 44 Т аж 861 Подписное филиал ППП фПатеат, г.Ужгород, .ул.Проектная, 4 тивное управление постоянной времени восстановления на импульсныхсигналах, что приводит.к уменьшениюискажения сигнала. Снижение временивосстановления, связанное с регулировкой, а также обработка весьманизких частот могут дать нелинейные искажения, амплитуда которых существенно снижается, во-первых, пу-.тем получения управляющего напряжения. ступенчатой формы (фиг. 2 в), амплитуда ступенек которого в отличие от прототипа не зависит от частоты сигнала, во-вторых, введением5 частотного корректора, монотонно снижающего амплитуду низкочастотных составляющих , поступающих через второй амплитудный детек - тор на Функциональный преобразователь 7