DE2726707A1

DE2726707A1 - Elektronischer schalter, insbesondere fuer eine stoerunterdrueckung oder eine ueberblendung

Info

Publication number: DE2726707A1
Application number: DE19772726707
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Scholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1977-06-14
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1979-01-04

Description

Elektronischer Schalter, insbesondere für eine Störunter-
drückung oder eine Uberblendung Bei der sprunghaften Ein- oder Ausschaltung eines Tonsignales entstehen bekanntlich durch die steilen Schalt flanken in dem Tonsignal Knackgeräusche. Es ist zur Verringerung solcher Knackgeräusche bekannt, als Schalter ein Übertragungsglied im Signalweg des Tonsignales zu verwenden, das mit einer Schaltspannung mit weichen Ubergängen zwischen den Schaltzuständen zu gesteuert wird. In der DT-PS 865 477 ist eine derartige Schaltung beschrieben, die zur Unterdrückung von Störungen in einem Hochfrequenzempfänger dient. Das Ubertragungsmaß der Schaltung wird jeweils für die Dauer eines einfallenden Störsignales durch eine von dem Störsignal gesteuerte Schaltspannung herabgesetzt. Die Kurvenform der Schaltspannung ist so verformt bzw. abgerundet, daß die durch die Abschaltspannung entstehende Störspannung möglichst klein bleibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen universell anwendbaren elektronischen Schalter zu schaffen, mit dem ein Signal storungsfrei geschaltet, insbesondere störungsfrei von einem Signal auf ein anderes Signal übergeblendet werden kann.
Ein Anwendungsgebiet ist z.B. die oben beschriebene Störspannungs-Aüsblendung.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.
Bei der Erfindung wird also sinngemäß durch ein gesteuertes, definiertes Prellen eines Schalters die Entstehung eines Knackgeräusches vermieden. Der gesteuerte Prellvorgang besteht darin, daß der Ubergang auf den neuen Schaltzustand intermittierend mit stetig zunehmendem Tastverhältnis erfolgt. Die Prellfrequenz braucht dabei nicht konstant zu sein. Sie muß z.B.
bei Tonsignalen über dem Hörbereich liegen. Im allgemeinen ist es ausreichend, wenn die Prellfrequenz gemäß dem bekannten Abtasttheorem doppelt so hoch wie die obere Grenzfrequenz des Nutzfrequenzbereiches des betreffenden Ubertragungssystems liegt. Um zur Erzielung eines sehr großen oder kleinen Tastverhältnisses, insbesondere zu Beginn und am Ende des Schaltvorganges, sehr kurze Impulse zu vermeiden, ist es zweckmäßig, dort die Frequenz soweit zu verringern, also die Periodendauer zu erhöhen, wie es im Hinblick auf den Frequenzbereich des zu übertragenden Signals zulässig ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen symbolhaft dargestellten elektronischen Schalter, der bei der Betrachtung der Erfindung zugrunde gelegt wird, Fig. 2 die Spannungsverläufe bei der Schaltung nach Fig. 1 bei einer sprunghaften Abschaltung eines Niederfrequenzsignales, Fig. 3 Spannungsverläufe bei einer Durchschaltung nach der Erfindung, Fig. 4 eine Schaltung zur Uberblendung zwischen zwei Signalen, Fig. 5 eine Schaltung zur Störausblendung, Fig. 6 Spannungsverläufe bei der Schaltung gemäß Fig. 5 bei einer harten Umschaltung und bei einer weichen Umschaltung gemäß der Erfindung, Fig. 7 eine Schaltung zur Erzeugung der bei der Erfindung verwendeten Schalt spannung, Fig. 8 Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 7 und Fig. 9 eine besonders vorteilhafte Schaltung zur Erzeugung der Schalt spannung.
In Fig. 1 ist schematisch eine Schaltung dargestellt mit einem elektronischen Ein-Aus-Schalter 4, der über eine Eingangsklemme 3 mit einer Schaltspannung U5 gesteuert werden kann.
Bei geschlossenem Schalter 4 wird ein an einer Eingangsklemme 1 liegendes Eingangssignal U1 zu einer Ausgangsklemme 2 übertragen. Das Ausgangssignal an der Klemme 2 ist mit U2 bezeichnet. Die Ausgangsklemme 2 ist über einen Widerstand 5 mit dem Massepotential der Schaltung verbunden, so daß bei geöffneten Schalter das Ausgangssignal U2 dem Massepotential entspricht.
In Fig. 2 sind die Spannungsverläufe U1, U2 und U dargestellt.
Das Signal U1 ist eine sinusförmige Wechselspannung, die durch einen Spannungssprung vom logischen Pegel H auf den logischen Pegel L der Schaltspannung U5 abgeschaltet wird. In Fig. 2 unten ist das Signal U2 mit einer steilen Schaltflanke 6 dargestellt. Diese Schaltflanke 6 enthält Störfrequenzanteile, die im Falle eines NF-Signales Knackgeräusche verursachen.
In Fig. 3 ist ein Abschaltvorgang einer erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt. Das Signal U1 in Fig. 1 entspricht dem ersten Signal und das Massepotential dem zweiten Signal bei der Erfindung. Mittels der in Fig. 3 in der zweiten Zeile dargestellten Schaltspannung U5 wird das Wechselspannungs-Signal U1 geschaltet. Die dargestellte Schalt spannung U5 weist für einen Umschaltvorgang drei unterschiedliche Teilbereiche auf.
In einem ersten Teilbereich 7 hat die Schaltspannung Us den logischen Pegel H, bei dem der Schalter 4 geschlossen ist. Mit dem Beginn der Umschaltung geht die Schalt spannung in einem Teilbereich 8 in eine Wechselspannung mit einer im wesentlichen konstanten Periodendauer T über. Im Verlauf des Teilbereiches 8 findet eine Verschiebung des Tastverhältnisses der Wechselspannung von einem Wert, bei dem der vorhergehende Zustand H (Teilbereich 7) überwiegt, zu einem Wert, bei dem der andere logische Zustand L überwiegt, über. Im Teilbereich 9 nimmt die Schalt spannung U nur noch den neuen logischen Zustand L ein.
Die Frequenz der Schaltspannung U5 im Teilbereich 8 ist größer gewählt als die Grenzfrequenz des Ubertragungssystems, in dem die Schaltung gemäß Fig. 1 verwendet ist. Die Wechselspannungsanteile des an der Klemme 2 anstehenden Signales U2 liegen außerhalb des Übertragungsfrequenzbereiches und werden unterdrückt. Damit ergibt sich am Ausgang des Ubertragungssystems ein Verlauf der Spannung gemäß der untersten Zeile in Fig. 3 (U21).
Der Teilbereich 8 der Schaltspannung U5 kann beliebig lang ausgedehnt werden. Das Tastverhältnis der Wechselspannung im Teilbereich 8 ist dann entsprechend langsam zu ändern. Mit der beschriebenen Schaltspannung U5 erhält man einen fließenden, störungsfreien Ubergang zwischen der Wechselspannung U1 und dem Abschaltzustand, bei dem Massepotential an der Ausgangsklemme 2 in Fig. 1 liegt.
Es ist mit einer Schaltung, die gemäß Fig. 4 einen Umschalter 10 enthält, der entsprechend dem Schalter 4 in Fig. 1 angesteuert wird, auch möglich, einen fließenden Übergang zwischen zwei Wechselspannungssignalen U11 und U12 herzustellen. Damit ist eine elektronische Uberblendungseinrichtung geschaffen, die die sonst üblichen Schieberegler ersetzen kann. Bei einer in Fig. 4 nicht dargestellten Schaltung zur Erzeugung der Schaltspannung Us wird man zweckmäigerweise eine Einstellmöglichkeit für die Tastverhältnisänderung und damit für die Länge des Teilbereiches 8 der in Fig. 3 dargestellten Schaltspannung U5 vorsehen, um mehr oder weniger schnelle Uberblendungsvorgänge durchführen zu können.
Fig. 5 zeigt einen elektronischen Umschalter, mit dem zwischen einem Signal U1 und dem Gleichspannungsmittelwert 21 des Signals U; umgeschaltet werden kann. Der Gleichspannungsmittelwert 81 wird an einem Kondensator 13 gebildet, der über einen Widerstand 12 von der Spannung U1 adfgeladen wird.
In Fig. 6 ist dargestellt, wie die Schaltung gemäß Fig. 5 zur Ausblendung einer Störung 14 in dem Wechselspannungs-Signal U1 verwendet werden kann. In den Zeilen 2 und 3 ist die Ausblendung mit einer harten Umschaltung dargestellt. Darunter ist gezeigt, wie das Störsignal mit einem Aus- und einem Einblendvorgang 15 bzw. 16 gemäß Fi. 3 störungsfrei unterdrückt werden kann. Das Tastverhältnis der Schalt spannung bei dem Einblendvorgang 16 muß entgegengesetzt geändert werden, wie bei dem Ausblendvorgang 15. Störgeräusche der in Fig. 6 oben dargestellten Art kommen z.B. als Knackgeräusche bei der Schallplattenwiedergabe vor. Bei der Unterdrückung solcher Knackgeräusche ist die richtige Wahl der Dauer der Ausblendungen wichtig. Die Uberblendungszeiten müssen einerseits so lang sein, daß kein Knackgeräusch mehr wahrnehmbar ist. Sie dürfen aber andererseits auch noch nicht so lang sein, daß bereits eine Signalunterbrechung wahrnehmbar wird. Damit der Ausblendungvorgang 15 früh genug begonnen werden kann, muß eine Verzögerungsschaltung für das Signal U1 vorgesehen werden. U2 ist gegenüber U1 um die Zeit verzögert, die zwischen dem Erkennen der Störung 14 und dem Erreichen des eigentlichen Austastbereiches 9 liegt.
In Fig. 7 ist eine besonders einfache Schaltung zur Erzeugung der Schaltungsspannung U5 dargestellt. In Fig. 8 sind Spannungsverläufe dargestellt, die zur Erläuterung der Funktion der Schaltung gemäß Fig. 7 dienen. Die Schaltung in Fig. 7 gibt bei einem Spannungssprung U17 an der Eingangsklemme 17 an der Ausgangsklemme 23 eine Folge von Rechteckimpulsen mit stetig zunehmendem bzw. abnehmendem Tastverhältnis ab, bis schließlich das Ausgangssignal auf'dem neuen Spannungswert verbleibt.
Dieser Signalverlauf entspricht genau der geforderten Schaltspannung Us. Das Kernstück der Schaltung ist ein invertierender Schmitt-Trigger 21. Es kann z.B. der bekannte CMOS-Baustein 74014 verwendet werden. Zwischen die Eingangsklemme 17 und den Eingang des Schmitt-Triggers 21 ist eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand 18 und einem zweiten Widerstand 20 geschaltet. Von dem mit b bezeichneten Verbindungspunkt des zweiten Widerstandes 20 mit dem Eingang des Schmitt-Triggers 21 liegt gegen Massepotential ein Kondensator 22. Zwischen dem Ausgang des Schmitt-Triggers 21 und dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Widerstandes 18 bzw. 20 liegt ein Kondensator 19. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 21 ist mit der Ausgangsklemme 23 der Schaltung verbunden. Der Kapazitätswert des Kondensators 19 ist wesentlich größer gewählt als der Wert des Kondensators 22. Der Kondensator 19 bewirkt, daß an dem Verbindungspunkt a der Widerstände 18 und 20 nur noch die Wechselspannung am Ausgang des Schmitt-Triggers 21 wirksam ist.
Die Gleichspannung an diesem Punkt a wird dagegen von der Eingangsspannung U17 an der Eingangsklemme 17 bestimmt. Der Schmitt-Trigger 21 ist mit einer Hysterese behaftet und weist einen oberen Ansprechwert 25 und einen unteren Ansprechwert 24 auf. Die Schaltung kann nur schwingen, solange die vom Ausgang zurückgekoppelte Wechselspannung beide Ansprechwerte 24 und 25 überstreicht. Sobald die Gleichspannung am Schaltungspunkt a dies nicht mehr zuläßt, reißt die Schwingung ab.
Bei einem Sprung der Spannung U17 an der Eingangsklemme 17 verläuft die Gleichspannung Ua am Schaltungspunkt a entsprechend der zweiten Zeile in Fig. 8 nach einer e-Funktion. Der Schwingungszug setzt ein, sobald der für die erste Umschaltung wirksame Ansprechwert 25 erreicht wird, und reißt wieder ab, sobald einer der Ansprechwertenicht mehr erreichbar ist. Der stetige Anstieg der Gleichspannung am Schaltungspunkt a hat die erwünschte stetige Änderung des Tastverhältnis der Ausgangsspannung zur Folge. In der dritten Zeile in Fig. 8 ist der Spannungsverlauf am Schaltungspunkt b gezeigt.
Die durch die Werte des Widerstandes 20 und des Kondensators 22 bestimmte Zeitkonstante bestimmt die Frequenz im Ubergangsbereich 8 der Schaltspannung Us. Dagegen ist die durch die Werte des Widerstandes 18 und des Kondensators 19 vorgegebene Zeitkonstante maßgeblich für die Dauer des Teilbereiches 8 der Schalt spannung. Bei einem zum Spannungssprung der Spannung U17 in Fig. 8 entgegengesetzten Spannungssprung laufen die gleichen Vorgänge in entgegengesetzter Richtung wie in Fig. 8 dargestellt ab. Diese Schaltung ist also sowohl für eine Ausblendung als auch für eine Einblendung verwendbar.
Bei der Schaltung in Fig. 7 kann das Tastverhältnis, mit des der Teilbereich 8 beginnt bzw. endet, nicht ohne weiteres beliebig klein bzw. groß gemacht werden. In Fig. 9 ist gezeigt, wie durch eine zusätzliche Maßnahme dieser Nachteil behoben werden kann. Es ist eine Hilfsschaltung aus einem PNP-Transistor 31 und einem NPN-Transistor 28 mit je einer Schutzdiode 30, 29 gegen zu hohe Basis-Emitter-Sperrspannung vorgesehen.
Die Kollektoren der Transistoren 28 und 31 sind zusammengeschaltet und liegen am Schaltungspunkt b. Jeweils in der Emitter-Leitung der Transistoren 31 und 28 liegen die in Flußrichtung gepolten Dioden 30 und 29. Der den Emittern abgewandte Anschluß der Dioden ist zusammengeschaltet und mit einem Abgriff 33 des Widerstandes 20 verbunden. Die Basis des PNP-Transistors 31 ist mit der positiven Versorgungsspannung UB und die Basis des NPN-Transistors 28 mit dem Massepotential der Schaltung verbunden. Durch Amplitudenwerte am Ausgang des Schmitt-Triggers 21, die den Betriebsspannungsbereich über- oder unterschreiten, wird jeweils einer der Transistoren geöffnet und dadurch die Zeitkonstante des RC-Gliedes aus dem Widerstand 20 und dem Kondensator 22 verkleinert. Damit wird bei den ersten und letzten Impulsen das Tastverhältnis noch zusätzlich verkleinert bzw. vergrößert, weil - wie aus der Spannung Ua in Fig. 8 zu erkennen ist - bei diesem Impulsen die genannte Bedingung erfüllt ist. Der Abgriff 33 ist in dem dem Punkt a zugewandten Bereich des Widerstandes 20 einstellbar ausgeführt, so daß die Wirkung der zusätzlichen Transistoren 31 und 28 dosiert werden kann. Zwischen die Eingangsklemme 17 und den Widerstand 18 ist noch ein Impulsformer 26 geschaltet, der als Schmitt-Trigger ausgeführt ist.
Für bestimmte Anwendungsfälle könnte es auch nachteilig sein, daß der Schwingvorgang nicht sofort nach dem Spannungssprung im Signal U17 (siehe Fig. 8) einsetzt. In diesem Fall könnte z.B. ein Schalter Abhilfe schaffen, der den Widerstand 18 bis zum Einsetzen der Schwingungen überbrückt.
Im folgenden ist ein Bemessungsbeispiel für die Schaltung gemäß Fig. 9 angegeben: Widerstand 18: 100 kQ Widerstand 20: 10 kQ (mit Abgriff) plus 82 kQ (fest) Kondensator 19: 15 nF Kondensator 22: 150 pF Für die angegebenen Werte ergibt sich für die Schaltspannung U5 im Teilbereich 8 eine Frequenz von > 20 kHz, eine Dauer des Teilbereichs 8 von ungefähr t2 = 2,1 ms und eine Schaltverzögerung gegenüber U17 von t1 = 1,6 ms. Die Zeiten t1 und t2 sind in Fig. 8 unten eingezeichnet.

Claims

Patent anspriiche Elektronischer Schalter, insbesondere für eine Störunterdrückung oder eine Uberblendung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines weichen Schaltvorganges (8) der ffbergang von einem Schaltzustand (7) auf den anderen Schaltzustand (9) intermittierend mit sich änderndem Tastverhältnis erfolgt.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltspannung (Us) eine binäre Spannung mit den festen Pegeln II und L ist.
3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umschalter (10, 11) mit zwei Eingängen und einem Ausgang ausgebildet ist und zur tiberblendung zwischen zwei Signalen (U11, U12; U19 81) an den beiden Eingängen dient (Fig. 4 bis 6).
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Umschalter (11) zur kurzzeitigen Umschaltung von einem Nutzsignal (U1) auf ein Ersatzsignal (in,) zur Störunterdrückung dient (Fig. 5, 6).
5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Tastverhältnis während des Schaltvorganges (8) linear ändert.
6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Tastverhältnis während des Schaltvorganges (8) nichtlinear ändert.
7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Tastverhältnis zu Beginn des Schaltvorgangs (8) zunächst langsam, dann schneller und am Ende des Schaltvorganges (8) wieder langsamer ändert.
8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Änderung des Tastverhältnisses einstellbar ist.
9. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (1/T) der intermittierenden Schaltspannung (Us) während des Schaltvorganges (8) konstant ist.
10. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (1/T) der Schaltspannung (U5) im Bereich großen oder kleinen Tastverhältnisses kleiner ist als im Bereich des Tastverhältnisses 1:1.
11. Schalter oach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (1/T) der Schaltspannung (Us) oberhalb des Nutzfrequenzbereiches des über den Schalter (4, 10, 11) geführten Signals (U1, U11 U12' U1) liegt.
32, Schalter nach Anspruchll, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schaltspannung (Us) etwa doppelt so hoch wie die obere Grenzfrequenz des zu übertragenden Signals ist.
13. Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Erzeugung der Schaltspannung (Us) mit folgenden Merkmalen: a) Die Schaltung umfaßt einen invertierenden hysteresebehafteten Schmitt-Trigger (21).

b) Vor den Eingang des Schmitt-Triggers (21) ist eine Reihenschaltung aus einem ersten (18) und einem zweiten (20) Widerstand geschaltet.

c) Zwischen den Verbindungspunkt (6) des zweiten Widerstandes (20) mit dem Eingang des Schmitt-Triggers (21) und einem festen Potential (Masse) der Schaltung ist ein erster Kondensator (22) geschaltet.

d) Zwischen den Ausgang des Schmitt-Triggers (21) und den Verbindungspunkt (a) der Widerstände (18, 20) ist ein zweiter Kondensator (19) geschaltet.

e) Der Kapazitätswert für den zweiten Kondensator (19) ist wesentlich größer als der Kapazitätswert des ersten Kondensators (22) gcwählt.

f) Der dem Verbindungspunkt (a) der Widerstände (18, 20) abgewandte Anschluß des ersten Widerstandes (18) bildet den zur Umschaltung binär ansteuerbaren Eingang (17) der Schaltung und der Ausgang des Schmitt-Triggers den die Schaltspannung (Us) abgebenden Ausgang (23) der Schaltung.
14. Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (20) mit einer Hilfsschaltung (28 bis 32) überbrückt ist, die niederohmig wird, wenn die Spannung am Verbindungspunkt (a) der Widerstände (18, 20) den Spannungsbereich über oder unterschreitet, der durch die Spannungen an den Basen der beiden Transistoren (31, 28) begrenzt wird (+UB und Masse) (Fig. 9).
15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung (28 bis 32) zwei mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken parallel geschaltete Transistoren (28, 31) umfaßt, wobei die Kollektoren mit dem Eingang des Schmitt-Triggers (b) und die Emitter mit dem Verbindungspunkt (a) der Widerstände (18, 20) verbunden sind, daß der eine Transistor (31) vom PNP-Typ ist und mit seiner Basis mit der positiven Versorgungsspannungsklemme (32) verbunden ist und daß der andere Transistor (28) vom NPN-Typ ist und mit seiner Basis mit der negativen Versorgungsspannungsklemme (Masse) verbunden ist (Fig. 9).
16. Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Emitterleitungen zum Schutz gegen zu hohe Basis-Emitter-Sperrspannung Dioden (30, 29) jeweils in Flußrichtung des Transistors (31 bis 28) liegen.
17. Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (20) einen Abgriff (33) aufweist und daß der dem Verbindungspunkt (a) der Widerstände (20, 18) zugeordnete Anschluß der Hilfsschaltung mit dem Abgriff (33) verbunden ist.