DE4134578C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Audiosignalen Klang-/Toneffekte erteilenden Oberwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Audiosignalen Klang-/Toneffekte erteilenden Oberwellen, umfassend einen ersten Zweig, der ein Audio-Eingangssignal linear an den Schaltungsausgang überträgt, sowie einen zweiten aus einem nichtlinearen Signal-Übertragungsglied bestehenden Zweig, der die dem Audio-Eingangssignal hinzugefügten Oberwellen erzeugt, und eine Signal-Addiererschaltung, wobei ein beiden Zweigen gemeinsamer Eingang der Eingangsanschluß für das Audio-Eingangssignal ist und die Ausgänge der beiden Zweige mit der Addiererschaltung verbunden sind, um die von den beiden Zweigen abgegebenen Signale in der Addiererschaltung zusammenzuführen, an deren Ausgang das Audio-Ausgangssignal abgenommen wird.

Es ist allgemein bekannt, daß durch ein nichtlineares Über­ tragungsglied Oberwellen bzw. harmonische Frequenzen erzeugt werden. Eine derartige Verwendung eines nichtlinearen Über­ tragungsgliedes, z. B. einer Elektronenröhre, eines Halblei­ terbauelements oder eines sonstigen nichtlinearen Übertragers führt aber dazu, daß nicht nur Oberwellen erzeugt und/oder verändert werden, sondern daß auch andere Parameter wie z. B. obere Grenzfrequenz, Pegel oder Geräuschspannungsabstand ver­ ändert und beeinflußt werden.

Bei einem Klangeffektgerät, das in den Audio-Signalweg einer Ton-Übertragungsanlage zur Aufnahme oder Wiedergabe von Audiosignalen zum alleinigen Zweck der Oberwellen-Erzeugung eingefügt wird, sollen jedoch Parameter wie Frequenzgang, Pegel und Geräuschspannungsabstand unbeeinflußt bleiben, so daß für solche Parameter Normwerte, insbesondere nach HiFi- DIN-Norm (HiFi-DIN 45 500) gewährleistet werden. Bei einem bekannten Klangeffektgerät der gattungsgemäßen Art (Dick­ reiter, Handbuch der Tonstudiotechnik; Bd. 1, 5. Auflage; K. G. Saur, München u. a., 1987, S. 371 bis 372) umfaßt ein nicht­ linearer Zweig einen speziellen Obertongenerator, dem ein einstellbarer Hochpaß vorgeschaltet ist. Der verwendete Ober­ tongenerator weist die Eigenschaft auf, daß er durch Über­ steuerung einer Kompressorschaltung ein mehr oder weniger oberwellenbehaftetes, im Pegel komprimiertes Signal erzeugt. Die Schaltung des Klangeffektgeräts mit einem solchen Ober­ tongenerator ist relativ aufwendig und kostspielig.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache, schnell und kostengünstig zu realisierende Schaltung anzugeben, die trotz ihrer Einfachheit einem Audio-Eingangssignal Oberwellen ohne Änderung von Signalpara­ metern wie insbesondere Frequenzgang, Pegel und Geräuschspan­ nungsabstand hinzufügt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in Verbindung mit den Merkmalen der Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das nichtlineare Übertragungsglied durch einen mindestens eine Diode und einen der Diodenschaltung vorgeschalteten, mit dem Eingangssignal beaufschlagbaren Spannungsteiler umfassenden Diodenbegrenzer gebildet ist, der durch den linearen Zweig überbrückt ist.

Mit der erfindungsgemäßen, die mit dem linearen Zweig über­ brückte Diodenschaltung umfassenden Schaltungsanordnung, die zur Aufnahme oder Übertragung von Audiosignalen in den Signalweg einer Ton-Übertragungsanlage geschaltet wird, ist erreicht, daß dem Audio-Signal zum Erzielen besonderer Klang-/ Toneffekte Oberwellen ohne nachteilige Änderung oder Beein­ flussung von anderen Audiosignalparametern hinzugefügt werden. So sind im Hörbereich (Audiobereich, ca. 20 bis 20 000 Hz) besonders ausgeprägte, die Tonqualität des Audio-Signals nicht beeinträchtigende und zuverlässig reproduzierbare Klang-/Toneffekte erzielbar. Obwohl die Schaltung mit dem Diodenbegrenzer besonders einfach ist, zeichnen sich die hervorgebrachten Klang-/Toneffekte durch verstärkte Klang­ räumlichkeit, Klangpräsenz und Klangdurchsichtigkeit aus. Dabei wird dem Signal jeder Teilschwingung ohne Änderung der übrigen Ton-/Klangparameter ein zusätzliches, eine Verdich­ tung des Klangspektrums bewirkendes Spektrum von Oberwellen hinzugefügt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Oberwellen ohne Beeinflussung anderer Audio- Signalparameter hinsichtlich Art und Stärke durch die Be­ schaltung am Eingang und/oder Ausgang des nichtlinearen Über­ tragungszweiges einstellbar sind. Es ist gefunden worden, daß insbesondere die Ton-/Klangqualität von CD-(Compact-Disc-) Anlagen bei mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugten Klang-/Toneffekten erhalten bleibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in den nichtlinearen Übertragungszweig wenigstens ein elektrisches Bauelement wie ein Widerstands­ potentiometer oder eine Steuerschaltung geschaltet ist, um den Signal-Eingangspegel und/oder den Signal-Ausgangspegel des nichtlinearen Übertragungszweiges zu verändern und/oder fest einzustellen. Durch die Einstellung bzw. Änderung von Art und Stärke der Oberwellen werden die übrigen Parameter des den Klang-/Toneffekt aufweisenden Audio-Signals nicht beeinflußt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die beiden Übertragungszweige in den Gegenkopplungszweig eines Verstärkers, insbesondere eines Operationsverstärkers, ein­ gefügt, was zu hohem Eingangswiderstand und niedrigem Ausgangs­ widerstand der Gesamtschaltung führt.

Mit einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird erreicht, daß das nichtlineare Übertragungsglied im Audio­ bereich nicht nur Oberwellen, sondern auch lineare Verzerrungen erzeugt. Dies führt zu einer frequenzselektiven Erzeugung von Oberwellen, wobei jedoch der Frequenzgang der gesamten Schaltungsanordnung im Audiobereich linear bleibt, so daß insbesondere ein linearer Frequenzgang nach DIN-Norm (HiFi- DIN 45 500) gewährleistet bleibt. Zu diesem Zweck wird der Diodenschaltung des nichtlinearen Übertragungsgliedes ein Kondensator parallel geschaltet und/oder ein Kondensator vorgeschaltet.

Noch andere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen hervor, und weitere Vorteile und Aus­ führungsformen oder -möglichkeiten der Erfindung werden nachstehend anhand der in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 die Schaltung eines Verstärkers zur Ergänzung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 nichtlineare Übertragungsglieder für erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnungen,

Fig. 5 eine Kennlinie eines eine Diode umfassenden nichtlinearen Übertragungsgliedes für eine er­ findungsgemäße Schaltungsanordnung und

Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen von Spannungs-Klirr­ faktoren in Abhängigkeit von der Eingangsspan­ nung erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung zur elektronischen Erzeugung von Oberwellen, die zur Erzeugung eines Klang-/Toneffektes einer Audio-Ein­ gangssignalspannung Ua hinzugefügt werden, einen nicht­ linearen Signal-Übertragungszweig N sowie einen linearen Signal-Übertragungszweig L. Diese Schaltung mit einer Eingangsklemme A und einer Ausgangsklemme C wird als elektronischer Oberwellen-Erzeuger in den Signalweg einer nicht dargestellten Audio-Übertragungsanlage wie insbesondere einer CD-(Compact-Disc)Ton-Übertragungs­ anlage zur Aufnahme oder Wiedergabe von Audio-Signalen eingefügt.

Der Schaltungszweig N für die nichtlineare Signalübertra­ gung und der Schaltungszweig L für die lineare Signal­ übertragung sind derart parallel geschaltet, daß die Ein­ gangsklemme A einen gemeinsamen Schaltungseingang für die beiden Zweige N, L bildet, so daß die Eingangsspan­ nung Ua sowohl am Eingang des linearen Zweiges L als auch am Eingang des nichtlinearen Zweiges N anliegt; die Ausgänge der beiden Zweige N, L sind erfindungsgemäß mit einem Addierer S verbunden.

Der Addierer S umfaßt drei Widerstände R4, R5 und R6, die mit jeweils einem Anschluß mit der Ausgangsklemme C verbunden sind. Der Widerstand R6 ist gegen Masse ge­ schaltet; an ihm wird die Audio-Ausgangssignalspannung Uc abgegriffen.

Der lineare Übertragungszweig L besteht im Ausführungs­ beispiel aus einer einfachen Draht- oder Leitungsbrücke, die die Eingangsklemme A mit dem anderen Anschluß des Addier-Widerstandes R4 verbindet.

Der nichtlineare Zweig N umfaßt eine nichtlineare Signal­ übertragung bewirkende elektronische Schaltung, die aus einer T-Schaltung von Widerständen R1, R2 und R3 und einer dem gegen Masse geschalteten Widerstand R2 paral­ lel geschalteten Diode D besteht. Jeweils ein Anschluß der Widerstände R1, R2 und R3 sowie die Anode der Diode sind mit dem Schaltungspunkt B verbunden. Der andere Anschluß des Widerstandes R1 ist an die Eingangsklemme A angeschlossen, während der andere Anschluß des Wider­ standes R3 mit dem anderen Anschluß des Addier-Wider­ standes R5 verbunden ist.

Der Widerstand R1 bildet mit der Diode D ein nichtlinea­ res Schaltungs-Übertragungsglied, das die Oberwellen erzeugt. Bekanntermaßen sind die Oberwellen (Obertöne) ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz oder eines Grundtones. Das Maß der Obertöne bzw. Verzerrungen ist der sogenannte in Prozent angegebene Klirrfaktor. Im 0 dB/V-Pegelbereich für Musik/Sprache erzeugt das aus dem Widerstand R1 und der Diode D bestehende Übertra­ gungsglied in der Regel einen zu hohen Klirrfaktor. Daher ist der aus den Widerständen R1 und R2 bestehende Spannungsteiler vorgesehen, mit dem die Eingangsspannung für den nichtlinearen Zweig N eingestellt wird, so daß auf diese Weise die Eingangsempfindlichkeit des Dioden­ begrenzers (Übertragungsgliedes) gewählt wird.

Fig. 5 zeigt die Eingangs-/Ausgangsspannungs-Kennlinie Ub=F(Ua) des Diodenbegrenzers. Insbesondere sind die Widerstände R1 und/oder R2 zur Einstellung der Eingangs­ empfindlichkeit des Diodenbegrenzers als Potentiometer­ widerstände ausgeführt.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 wird die Schaltung gemäß Fig. 1 mit einem Operations­ verstärker V ergänzt. Die Eingangsklemme A der Schaltung nach Fig. 1 wird an die Ausgangsklemme E des Verstärkers V angeschlossen, während die Ausgangsklemme C der Schal­ tung nach Fig. 1 an die invertierende Eingangsklemme F des Verstärkers V angeschlossen wird. Bei dieser erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung bildet eine nichtinver­ tierende Eingangsklemme G des Verstärkers V den Eingangs­ anschluß für die Eingangssignalspannung Ug. Die Ausgangs­ signalspannung Ue wird an der Ausgangsklemme E des Ver­ stärkers V abgegriffen. So ist die Schaltung gemäß Fig. 1 in den Gegenkopplungszweig des Verstärkers V geschal­ tet. Es ist erreicht, daß der Eingangswiderstand an der Eingangsklemme G gegenüber dem Eingangswiderstand an der Klemme A höher ist, während der Ausgangswiderstand an der Ausgangsklemme E gegenüber dem Widerstand an der Ausgangsklemme C geringer ist. Im Verhältnis zur Aus­ gangsspannung Uc ist die Ausgangsspannung Ue um einige Dezibel erhöht. Im Unterschied zu der Schaltung nach Fig. 1 ist die Phasenlage der Oberwellen bezüglich der Grundschwingung nach Ergänzung mit der Schaltung gemäß Fig. 2 um 180° gedreht. Jedoch ist das menschliche Gehör gegenüber einer derartigen Phasendrehung innerhalb von Audio-Schwingungen unempfindlich.

Falls gewünscht, können die Oberschwingungen in Abhängig­ keit von bestimmten Frequenzbereichen des Audio-Eingangs­ signals Ua bzw. Ug erzeugt werden. Wie aus Fig. 3 er­ sichtlich, wird der Diode D ein Kondensator C1 parallel geschaltet, so daß aufgrund dieser Tiefpaßausbildung Oberwellen hauptsächlich bei tieferen Frequenzen erzeugt werden. Statt dessen ist gemäß Fig. 4 ein Kondensator C2 in Reihe mit der Diode D geschaltet, so daß durch diese Hochpaß-Schaltung Oberwellen hauptsächlich bei hohen Frequenzen hervorgebracht werden.

In Fig. 6 ist in logarithmischer Darstellung der Klirr­ faktor K(Ub)/% der Ausgangsspannung Ub des Diodenbe­ grenzers in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Ua/V für Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 und 2 dargestellt, und zwar für unterschiedliche Widerstandswerte R2.

Ohne den Widerstand R2 und bei einer Eingangsspannung von z. B. Ua=1V beträgt der Ub-Spannungs-Klirrfaktor im Ausführungsbeispiel K(Ub)=10%. Wie oben bereits erläu­ tert, sinkt die Eingangsempfindlichkeit des Diodenbe­ grenzers durch den der Diode D parallel geschalteten Widerstand R2. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, verschieben sich die Klirrfaktor-Kurven in der Darstellung nach rechts, wenn der Widerstand R2 verkleinert wird.

Fig. 7 zeigt in logarithmischer Darstellung den Klirr­ faktor der Ausgangsspannung Uc in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Ua, und zwar für unterschiedliche Werte des Widerstandes R3.

Mit dem Widerstand R3 und der Eingangsimpedanz des Addie­ rers S, der aus den Widerständen R4, R5 und R6 besteht, ist ein Spannungsteiler gebildet, wodurch die Spannung Ub des Diodenbegrenzers der Ausgangsspannung des linea­ ren Übertragungszweiges L teilweise zugemischt wird. Aus Fig. 7 geht hervor, daß der Klirrfaktor K(Uc) mit der Erhöhung des Widerstandes R3 sinkt, so daß sich die Klirrfaktor-Kurven in der Darstellung nach unten ver­ schieben. Man erkennt, das auf diese Weise einerseits die Pegelreduzierung durch die gesamte Schaltungsanord­ nung gering bleibt und daß andererseits Oberwellen bzw. Klirrfaktoren einstellbar sind, ohne daß sich andere Parameter der Ausgangssignale ändern.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Audiosignalen Klang-/Toneffekte erteilenden Oberwellen, umfassend einen ersten Zweig (L), der ein Audio-Eingangssignal (Ua) linear an den Schaltungsausgang (C) überträgt, sowie einen zweiten, aus einem nichtlinearen Signal-Übertragungsglied (N) bestehenden Zweig, der die dem Audio-Eingangssignal (Ua) hinzugefügten Oberwellen erzeugt, und eine Signal- Addiererschaltung (S), wobei ein beiden Zweigen gemeinsamer Eingang (A) der Eingangsanschluß für das Audio- Eingangssignal (Ua) ist und die Ausgänge der beiden Zweige mit der Addiererschaltung (S) verbunden sind, um die von den beiden Zweigen abgegebenen Signale in der Addiererschaltung (S) zusammenzuführen, an deren Ausgang (c) das Audio-Ausgangssignal (Uc) abgenommen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das nicht­ lineare Übertragungsglied (N) durch einen mindestens eine Diode (D) und einen der Diodenschaltung vorgeschalteten, mit dem Eingangssignal (Ua) beaufschlagbaren Spannungs­ teiler (R1, R2) umfassenden Diodenbegrenzer gebildet ist, der durch den linearen Zweig (L) überbrückt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal-Eingangspegel und/oder der Signal-Ausgangspegel des Diodenbegrenzers einstellbar und/oder veränderbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der lineare Übertragungszweig (L) Signale in einem Frequenzbereich von 40 bis 12 500 Hz überträgt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Übertragungszweig (L) durch eine Leitungsbrücke gebildet ist, die das Eingangssignal (Ua) direkt an einen Eingang der Addiererschaltung (S) führt (Fig. 1).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pegelanpassung an das Ausgangssignal des linearen Übertragungszweiges (L) zwischen den Ausgang des Dioden­ begrenzers und die Addiererschaltung (S) ein Widerstand (R3) geschaltet ist, der in Verbindung mit einem Ein­ gangswiderstand der Addiererschaltung (S) einen Span­ nungsteiler bildet (Fig. 1).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Addiererschaltung (S) zwei die Ausgangssignale der beiden Übertragungszweige (N, L) addierende Widerstände (R4, R5) und einen Widerstand (R6) aufweist, an dem die addierten Signale als Ausgangsspannung (Uc) am Addiererschaltungsausgang (C) anfallen (Fig. 1).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen Verstärker (V) umfaßt, der derart geschaltet ist, daß der gemeinsame Eingangsanschluß (A) der beiden Übertragungszweige (N, L) mit einer Verstärker-Ausgangsklemme (E) und der Addiererschaltungs­ ausgang (C) mit einer invertierenden (negativen) Verstärker- Eingangsklemme (F) verbunden sind, wobei eine nicht­ invertierende (positive) Verstärker-Eingangsklemme (G) den Anschluß für ein Audio-Eingangssignal (Ug) der Gesamt­ schaltung bildet, während das Audio-Ausgangssignal (Ue) der Gesamtschaltung an der Verstärker-Ausgangsklemme (E) anfällt (Fig. 2).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Diode (D) zur Beschneidung hoher Frequenzen ein Kondensator (C1) parallel geschaltet ist (Fig. 3).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D) zur Beschneidung tiefer Frequenzen in Reihe mit einem Kondensator (C2) geschaltet ist (Fig. 4).