УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА
APPARATUS FOR SIMULATING ELECTRIC SIGNAL NONLINEAR DISTORTIONS

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для имитации различных видов нелинейных искажений электрического сигнала и может использоваться для проведения сравнительной оценки чувствительности стандартизованных и вновь предлагаемых методов измерения параметров амплитудной нелинейности звукотехнической усилительной аппаратуры, для осуществления субъективных экспертиз заметности искажений на сигналах различной формы, включая сигналы аудиопрограмм, в других научных целях, а также в учебном процессе.
Цель изобретения - улучшение функциональности устройства и повышение его универсальности по отношению к внешним устройствам.
Это достигается применением автоматической настройки уровней сигналов в различных точках схемы устройства с индикацией правильности этой настройки, а также расширением диапазона возможных значений входного сигнала и обеспечением равенства значений входного и выходного сигналов устройства, для чего в устройство введены входной и выходной автоматические аттенюаторы, блок сравнения, управляющий их работой, два блока индикации их настройки и блок опорного напряжения, а для сохранения возможности ручного управления настройкой устройства введен дополнительный двухпозиционный переключатель.
Описание аналогов
Известно устройство, представляющее собой простейшую модель усилителя и содержащее три группы каскадов, охваченные цепью общей отрицательной обратной связи. Структура модели отражает наиболее распространенный принцип построения схем полупроводниковых усилителей сигналов звуковой частоты в дискретном и интегральном исполнениях [1]. Модель отражает присутствие линейных и нелинейных искажений в отдельных группах каскадов и в усилителе в целом.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится невозможность использования устройства в качестве имитатора различных видов искажений, т.к. отсутствует возможность изменять вид и регулировать степень вносимых искажений.
Описание прототипа
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является устройство, представляющее собой имитатор динамических искажений [2].
Устройство содержит входную и выходную клеммы для подключения внешних устройств, между которыми расположены последовательно соединенные первая усилительная ступень, подключенная к входной клемме своим неинвертирующим входом, корректирующая ступень и вторая усилительная ступень, а также включает цепь общей отрицательной обратной связи, соединенную своим входом с выходом второй усилительной ступени, а своим выходом - с инвертирующим входом первой усилительной ступени, индикатор уровня, соединенный с выходной клеммой, первую нелинейную цепь, подключаемую либо к выходу первой усилительной ступени, либо к выходу второй усилительной ступени с помощью двухпозиционного переключателя, вторую нелинейную цепь, подключаемую к выходу второй усилительной ступени с помощью выключателя, блок ручного управления, соединенный с неинвертирующим входом первой усилительной ступени, при этом корректирующая ступень, блок ручного управления и обе нелинейные цепи выполнены перестраиваемыми.
Построение известного устройства отвечает современным тенденциям проектирования усилительной аппаратуры: существенно нелинейные и инерционные входные, промежуточные и выходные каскады охвачены цепью общей отрицательной обратной связи. При этом в состав устройства входят блоки, позволяющие проводить его настройку.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что устройство настраивается только вручную с помощью блока ручного управления, изменением сигнала на входе первой усилительной ступени, с одновременным ручным управлением органами настройки нелинейных цепей, регулирующих степень вносимых искажений. При этом о результатах настройки можно судить только по показаниям индикатора уровня. При широком диапазоне возможных значений входного сигнала, а тем более при работе с сигналами аудиопрограмм различных жанров выполнить настройку устройства-прототипа, адекватную желаемой степени внесения искажений, функционально сложно. К тому же использование устройства-прототипа в составе измерительной установки или в тракте звуковоспроизведения вносит непредсказуемые изменения в уровнеграмму сквозного сигнала.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении функциональности устройства и повышении его универсальности по отношению к внешним устройствам.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в применении автоматической настройки уровней сигналов в различных точках схемы устройства с индикацией правильности этой настройки, а также в расширении диапазона возможных значений входного сигнала и обеспечении равенства значений входного и выходного сигналов устройства.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройство введены входной и выходной автоматические аттенюаторы, блок сравнения, управляющий их работой, два блока индикации правильности их настройки и блок опорного напряжения, а для сохранения возможности ручного управления настройкой устройства введен дополнительный двухпозиционный переключатель.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном устройстве, изложенном в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - входная клемма; 2 - первая усилительная ступень; 3 - корректирующая ступень; 4 - вторая усилительная ступень; 5 - цепь общей отрицательной обратной связи; 6 - индикатор уровня; 7 - первая нелинейная цепь; 8 - первый двухпозиционный переключатель; 9 - вторая нелинейная цепь; 10 - выключатель; 11 - блок ручного управления; 12 - выходная клемма; 13 - первый автоматический аттенюатор; 14 - второй автоматический аттенюатор; 15 - блок сравнения; 16 - второй двухпозиционный переключатель; 17 - блок опорного напряжения; 18 - первый индикатор настройки; 19 - второй индикатор настройки. Блоки 3, 7, 9 и 11 выполнены перестраиваемыми, а блоки 13 и 14 перестраиваются одновременно.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
Устройство содержит входную 1 и выходную 12 клеммы для подключения внешних устройств, между которыми расположены последовательно соединенные первый автоматический аттенюатор 13, первая усилительная ступень 2, подключенная к выходу первого автоматического аттенюатора своим неинвертирующим входом, корректирующая ступень 3, вторая усилительная ступень 4, второй автоматический аттенюатор 14, также устройство содержит цепь 5 общей отрицательной обратной связи, вход которой подключен к выходу второй усилительной ступени 4, а выход - к инвертирующему входу первой усилительной ступени 2, индикатор 6 уровня, подключенный к выходной клемме 12, первую нелинейную цепь 7, подключаемую либо к выходу первой усилительной ступени 2, либо к выходу второй усилительной ступени 4 с помощью первого двухпозиционного переключателя 8, вторую нелинейную цепь 9, имеющую возможность быть подключенной к выходу второй усилительной ступени 4 с помощью выключателя 10, блок 15 сравнения, осуществляющий согласованное управление автоматическими аттенюаторами 13 и 14 своим выходным сигналом, подаваемым одновременно на входы управления аттенюаторов, к первому входу блока сравнения подключен блок 17 опорного напряжения, а второй вход блока сравнения с помощью второго двухпозиционного переключателя 16 может быть подключен либо к выходу первого автоматического аттенюатора 13, либо к блоку 11 ручного управления, первый блок 18 индикации настройки, подключенный к выходу первого автоматического аттенюатора 13, второй блок 19 индикации настройки, имеющий два входа, первый из которых подключен к входной клемме 1, второй - к выходной клемме 12. При этом корректирующая ступень 3, блок 11 ручного управления, нелинейная цепь 7, нелинейная цепь 9 выполнены перестраиваемыми, а оба автоматических аттенюатора перестраиваются одновременно.
Усилительные ступени 2 и 4 устройства являются квазилинейными. Формирование нелинейности этих ступеней осуществляется подключением к их выходам перестраиваемых нелинейных цепей 7 и 9. Подключение первой цепи 7 к выходу первой усилительной ступени 2 или выходу второй усилительной ступени 4 позволяет имитировать искажения типа «ограничение»: симметричное «мягкое», симметричное «жесткое», несимметричное «мягкое», несимметричное «жесткое».
В сочетании с регулируемыми линейными искажениями, вносимыми корректирующей ступенью 3, подключение первой цепи 7 к выходу первой усилительной ступени 2 позволяет имитировать так называемые динамические интермодуляционные искажения, ухудшающие звучание громких быстроизменяющихся сигналов аудиопрограмм.
Подключение второй нелинейной цепи 9 к выходу второй усилительной ступени 4 позволяет ввести искажения типа «центральная отсечка», свойственные режимам работы класса В оконечных каскадов усилителей мощности сигналов звуковой частоты. К ним могут быть добавлены искажения типа «ограничение» подключением первой нелинейной цепи 7 к выходу второй усилительной ступени 4.
Также возможно сочетание нелинейных искажений типа «ограничение» в первой усилительной ступени 2 и искажений типа «центральная отсечка» во второй усилительной ступени 4 и сочетание динамических интермодуляционных искажений и искажений типа «центральная отсечка» во второй усилительной ступени 4.
В процессе эксплуатации заявляемого устройства возможны случаи его включения в различные по уровню сигнала точки измерительной установки или тракта звуковоспроизведения. В связи с этим устройство должно обладать широким диапазоном входных напряжений при гарантированном попадании в зону нелинейности, вводимую с помощью нелинейной цепи 7 при подключении ее как к выходу первой усилительной ступени 2, так и к выходу второй усилительной ступени 4. К тому же к входной клемме 1 могут подключаться источники испытательного сигнала и сигнала аудиопрограмм, уровень выходного сигнала которых может быть произвольной величины в широком диапазоне значений. Первый автоматический аттенюатор 13 позволяет привести возможные уровни сигнала источников к заданной величине уровня входного сигнала первой усилительной ступени 2. Настройка аттенюатора 13 осуществляется автоматически с помощью сигнала, подаваемого на вход управления, формируемого блоком 15 сравнения, как результат воздействия на его первый вход сигнала с выхода первого аттенюатора 13, а на его второй вход сигнала с выхода блока 17 опорного напряжения. Блок 15 сравнения вырабатывает сигнал ошибки, который управляет степенью вносимого аттенюатором 13 затухания, что происходит до тех пор, пока не будет достигнут задаваемый блоком 17 опорного напряжения уровень сигнала на неинвертирующем входе первой усилительной ступени 2, соответствующий попаданию максимального значения выходного сигнала ступени 2 или ступени 4 в область нелинейности, которая вводится в эти ступени альтернативным подключением с помощью двухпозиционного переключателя 8 первой нелинейной цепи 7, что гарантируется распределением уровней сигнала между ступенями устройства. Нелинейная цепь 7 имеет несколько перестраиваемых плавно и(или) дискретно элементов, доступ к которым обеспечивается конструкцией лицевой панели устройства.
Первый блок 18 индикации настройки предоставляет визуальный контроль достижения заданного уровня сигнала на выходе аттенюатора 13, а значит на входе первой усилительной ступени 2. Далее сигнал поступает на корректирующую ступень 3, степень инерционности которой можно регулировать плавно и(или) дискретно с помощью органов регулировки, вынесенных на лицевую панель устройства.
С выхода корректирующей ступени 3 сигнал поступает на вторую усилительную ступень 4, к выходу которой для имитации искажений может быть подключена с помощью переключателя 8 первая нелинейная цепь 7 и(или) вторая нелинейная цепь 9, подключаемая с помощью выключателя 10 и вносящая регулируемые с помощью перестраиваемых элементов искажения типа «центральная отсечка».
По цепи 5 общей отрицательной обратной связи сигнал с выхода второй усилительной ступени 4 подается на инвертирующий вход первой усилительной ступени 2. Этим имитируется принцип работы, широко используемый при построении транзисторных усилителей в интегральном и дискретном исполнениях.
Заявляемое устройство имитирует усилитель, обладающий определенным коэффициентом усиления, поэтому для удобства эксплуатации устройства в составе измерительной установки или в тракте звуковоспроизведения требуется внесение затухания в его выходной сигнал такой степени, которая обеспечит равенство значений сигналов на входе и выходе устройства. Именно второй автоматический аттенюатор 14 обеспечивает выравнивание уровней сигналов на входе и выходе устройства, что позволит при работе с заявляемым устройством не вносить изменения в уровень сигнала в точке подключения устройства. Второй аттенюатор 14 изменяет степень вносимого затухания в выходной сигнал устройства под воздействие подаваемого на его вход управления сигнала, вырабатываемого блоком 15 сравнения, которым также управляется и первый аттенюатор 13. Второй блок 19 индикации настройки обеспечивает визуальный контроль достижения равенства сигналов на входе и выходе устройства. Один из его входов подключен к входной клемме 1, другой к выходной клемме 12.
Ручная настройка с помощью перестраиваемых элементов блока 11 ручного управления может использоваться при работе с сигналами аудиопрограмм или в других случаях, если этого потребуют какие-либо обстоятельства или соображения. Переход на ручное управление осуществляется переводом переключателя 16 в альтернативную позицию. В этом случае о правильности настройки устройства можно будет судить по показаниям индикатора 6 уровня, указатель которого должен находиться в рабочем секторе шкалы индикатора, что достигается ручной настройкой блока 11.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что введение на входе и выходе устройства автоматических аттенюаторов, одновременно управляемых выходным сигналом блока сравнения, вырабатываемым им как результат сравнения сигнала с выхода входного аттенюатора и сигнала введенного блока опорного напряжения, а также введение двух блоков индикации, свидетельствующих о правильности настройки аттенюаторов при сохранении возможности использования ручного управления настройкой устройства с помощью дополнительного двухпозиционного переключателя, позволяет улучшить функциональность устройства и повысить его универсальность по отношению к внешним устройствам за счет обеспечения возможности работы устройства в широком диапазоне значений входного сигнала и сохранения равенства значений входного и выходного сигналов устройства.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области контрольно-измерительной техники и предназначено для имитации различных видов нелинейных искажений электрического сигнала в научных и учебных целях;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Тихонова Л.С. Анализ чувствительности стандартных методов измерения нелинейности к динамическим искажениям. - Техника кино и телевидения, 1985, №7, с.15-19.
2. Журавлев В.М., Галушкин А.Е., Тихонова Л.С. Имитатор динамических искажений. - Л.: Изд. ЛИКИ. Сб. науч. трудов: Тенденции и перспективы развития отечественной кинотехники, 1985, с.66-71 - прототип.