音頻系統的峰－峰信號檢測器的製作方法
2024-03-30 20:21:05
專利名稱：音頻系統的峰－峰信號檢測器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及具有檢測音頻信號的信號檢測設備的音頻系統，具體地涉及檢測雙通道L+R立體聲音頻信號的峰-峰信號檢測器。
美國的多通道廣播或立體聲電視節目均利用電子工程協會(EIA)的廣播系統電視委員會(BTSC)正式通過的系統。電視多通道聲音系統在以前被單聲道音頻信號(mono)佔用的電視信號的主音頻通道譜間隔內傳送左右立體聲音頻信息(L+R)。這樣做可以保證新的立體聲信號與現有單聲道電視接收機兼容。電視多通道聲音系統還通過在子載波上進行調製來傳送左右立體聲音頻信號的差值信號(L-R)。
當前消費電器音頻單元中採用的多通道音頻系統，例如具有記錄在包括高保真VHS錄像帶和雷射視盤等的媒質上的高聲音響效果的電視接收機使音頻信號具有很寬的動態範圍。這種系統動態範圍特性通常是目前市場上的家庭影院音頻/射頻系統的一個具有吸引力的特點，並可對總體質量和聽者的感受產生重要影響。雖然這在通常情況下是正確的，然而，包含大幅度瞬變信號的聲音可能受到幹擾，並產生過大的噪音。這在某些情況下是最不期望的，例如小孩正在睡覺的時候。毫不奇怪的是，在這些情況下，期望能夠具有自動動態音量控制壓縮系統，以在一定的音頻信號範圍內抑制信號的大動態範圍特性。因此，為了完成動態音量控制，首先必需精確地檢測和跟蹤正或負幅度的音頻信號。
峰值信號檢測器可以用來檢測與音頻信號對應的峰值幅度，並提供檢測器電壓，該電壓將用於控制音量設定，以限制高幅度瞬變信號的響度值。然而，音頻信號通常是非對稱的。因此，只檢測音頻(AC)信號的一部分將使檢測到的峰值過小(或過大)，並沒有檢測到正確的瞬變信號幅度表示。即，如果利用正峰值檢測器檢測ac音頻信號，那麼只能檢測到正瞬變信號。對於負遊逸瞬變信號，正峰值檢測器無法檢測到這些負瞬變，也就無法使電視接收機單元對高聲信號進行接收和補償，使聽者感受到不期望的高音信號。利用可以檢測信號雙極性幅度的精密整流器和放大器可以檢測正和負瞬變的ac信號。然而，這種整流器過於複雜，且需要大量的電子元件來實現該功能。在當今競爭激烈的市場上，這對於在消費電子單元中，例如電視接收機，使用的電路是一種不期望的特性。因此，電視製造商正在尋找一種低成本、高可靠性、且能精確檢測正和負幅度音頻信號的方案，以進行限制大動態範圍音頻的動態音量控制。
根據本發明，音頻系統中使用的峰-峰檢測電路包括具有接收L+R(AC)音頻信號的輸入端子和與串聯電容、電阻串聯在一起的輸出端子的第一放大器，以產生與輸入L+RAC音頻信號相對應的時間-幅度關係的可變dc電壓。其陰極連接到參考電位、其陽極連接到電容的鉗位二極體用於將可變dc電壓的負幅度漂移限制在預定的最小值。其陰極連接到鉗位二極體的陽極、其陽極連接到第二電容以根據所述可變dc電壓的幅度對第二電容進行充電的整流二極體用於產生比例於L+R音頻信號的峰-峰幅度的dc輸出信號。檢測器電路還包括根據整流二極體陽極上的電壓值將dc輸出信號鉗位到最大值的鉗位電路。
圖1示出本發明音頻系統的峰-峰檢測器的電路簡圖。
圖2A-C示出由圖1電路產生的各種波形，示出了輸入L和R音頻信號幅度、dc輸出電壓以及L和R音頻信號的和。
圖3示出採用圖1的本發明峰-峰檢測器電路的音量控制系統的框圖。
圖1示出用於電視接收機的音頻壓縮器系統的本發明檢測器電路10，例如在此是受讓人的Thomson消費電子公司製作的MM101音頻系統。注意，在整個附圖中，相同的參考數字表示相同的部分。還要注意，儘管圖1示出與本發明檢測器電路的工作實施方案中的阻性和容性電路元件有關的電壓值和元件值，但這些值僅僅是示例性的，應當理解的是本領域的技術人員可以根據特定應用產生的需求對元件值和電壓值進行調整。
如圖1所示，檢測器電路10是一個峰-峰檢測器電路，該電路根據處理器模塊20輸出的多通道聲音信號的L+R立體聲音頻信號成份(即AC信號)在輸出端子90上形成dc輸出信號100。dc輸出信號100的幅度比例於L和R通道輸入音頻信號的峰-峰幅度之和。峰-峰檢測器電路可以檢測輸入L+RAC音頻信號的正和負兩部分，因為對於許多音頻信號它們都是不對稱的。因此，檢測器電路10可以檢測正負瞬變，同時利用最少數目的電子元件構成了高效、廉價的檢測器。檢測器的輸出可以由音頻系統微處理器進行採樣，以設定音頻系統的音量控制。
參考圖1，左(L)和右(R)立體聲音頻通道分別通過電阻器R1和R2連接到AC運算放大器U1-A的反相或取和輸入端子(管腳2)。放大器U1-A的同相輸入端子(管腳3)通過電阻器R5連接到電壓源Vc。放大器U1-A的輸出端子1上的輸出信號包括信號L+R的反相和。電阻器R6連接在放大器U1-A的輸出端子1和反相端子2之間，以提供使放大器線性工作的負反饋。輸出端子1還連接到電阻器R3的第一端子，其第二端子連接到電容器C1的正端子。即，電阻器電容器組合R3和C1串聯在一起。鉗位二極體CR1的陽極連接到電容器C1的負端子，其陰極連接到參考或地電位。(L+R)信號通過電阻器R3和電容器C1，並受到二極體CR1的鉗位。由R3和C1組成的RC組合和鉗位二極體CR1構成的鉗位電路使信號的L+R負部分總是工作在比參考電位(即地電位)低一個二極體管壓降的電位。如圖所示，節點80的(L+R)信號現在是可變dc信號，並具有與在示波器上觀察到的原始音頻信號基本相同的時間-幅度關係，差別僅在於dc漂移。節點80上的信號的最小電壓大約為-0.6Vdc(對應於一個二極體電壓降)，最大電壓為L和R信號的峰-峰幅度減去前述的二極體電壓降。這就將與可變dc電壓信號40對應的負幅度漂移限制在預定最小值-0.6v。
二極體CR2連接在節點80處的二極體CR1的鉗位電路結構和節點90處的包括並聯電容器C2和電阻器R4、並構成時間常數電路30的dc檢測器輸出之間。節點80處的可變dc信號40通過二極體CR2，並在節點80處的電壓超過節點90處的電壓一個二極體電壓降時對電容器C2充電。與對電容器C2充電有關的時間常數主要由電容器R3的值確定。當輸入音頻信號L+R的幅度為零時，電容器開始根據時間常數R2×C4通過電阻器R4進行放電。為了快速響應L+R信號中的正或負瞬變，電容器C2的充電時間應當遠小於C2的放電時間。因此，電阻器R3和R4的阻值必需保證R4遠大於電阻器R3的相應阻值。這些阻值為檢測器提供了許多音頻檢測器典型具有的「快速充電/慢速放電」的特性。儘管根據特定的系統要求可以使用各種電阻器/電容器組合，在優選實施方案中，優選的是20∶1的電阻器阻值(R4/R3)。注意電容器C2的放電時間還取決於微處理器110的輸入阻抗，該阻抗通常相對於電阻器R4是非常高的。由此，電阻器R4代表了主要的放電阻抗。
參考圖1和圖3，受限的快速充電/慢速放電的dc檢測器電壓100可以提供給音頻系統微處理器110的模數轉換器(A/D)輸入端子。包括單位增益運算放大器U1-B和二極體CR3的鉗位電路50(圖1)用於將dc輸出信號100的最大幅度限制或鉗位在預定上限值。放大器U1-B的端子7上的電壓輸出由其同相輸入端子(管腳5)上的電壓決定。該電壓是由R7和R8構成的電壓分壓器對兩個電阻器之間的dc電源電壓Vp進行分壓而產生的。電容器C3和電阻器R7並聯構成濾波器。因此，放大器U1-B在管腳7上的輸出電壓根據管腳5上的輸入電壓而固定下來，由此在節點25處提供恆定電壓。鉗位二極體CR3的陽極連接到輸出管腳7，其陰極連接到檢測器輸出端子90處的CR2的陽極。這種結構可以將檢測器輸出電壓鉗位或限制在與管腳7(即節點25)上的電壓加上二極體CR3上的二極體電壓降相對應的最大值。即，當節點90上的檢測器電壓達到放大器U1-B的輸出電壓加上一個二極體電壓降時，二極體CR3就導通。因為放大器U1B是低阻抗器件，所以可以有效地限制檢測器的輸出。在優選實施方案中，檢測器輸出電壓幅度由放大器U1-B及相關電路構成的鉗位電路限制在大約5V。在本實施方案中，U1-B的輸出大約固定在4.3Vdc，這樣當節點90上的檢測器電壓的幅度達到4．3Vdc加上一個二極體電壓降時，二極體CR3就導通。這樣，鉗位電路50可以保護微處理器110內的、工作在5伏dc電源的A/D轉換器。因為不期望A/D轉換器接收工作電壓超過5伏的輸入信號，鉗位電路用於限制輸出檢測器電壓，使其不大於用於接收輸出DC信號100的處理器的工作電壓。
參考圖3，A/D轉換器在5-10ms之間的預定時間間隔內對dc檢測器電壓信號100進行採樣。然後，微處理器利用採樣的輸入信號，根據採樣的檢測器電壓幅度作出處理結果。處理器利用這些結果設定音頻系統的、由微機控制的音量控制單元的音量，例如MM101音頻系統。即，處理器比較採樣dc信號電壓100的絕對幅度和預定的閾值，並比例於相對差值而降低或調整音量控制。
如前所述，峰-峰檢測器用於檢測ac音頻信號的正和負部分，因為許多音頻信號的幅度是非對稱的。注意，對於圖1的檢測器電路，如果放大器U1-A在管腳1輸出正瞬變，那么正瞬變將迅速前饋偏置二極體CR2。類似地，如果正脈衝的幅度很高，因此正瞬變脈衝的檢測可以在相對較短的時間內完成，電容器C2將迅速充電。當電容器C2完全放電時，如果放大器U1-A的管腳上輸出負瞬變脈衝，只要節點80上的電壓不超過節點90上的電壓，二極體CR2將不會導通。因此，檢測器不會立刻通過對電容器C2充電來響應負瞬變。而是，二極體CR1導通，電容器C1開始充電。因此，負瞬變的檢測需要足夠長時間的L+R波形信號，以對電容器C1進行充電，使檢測器輸出產生比例於L+R信號的峰-峰幅度的dc信號幅度。
圖2A、2B和2C示出說明上述檢測過程的示例性波形圖。現參考圖2A和圖1，波形1示出具有2.5伏dc偏置的4.5伏峰-峰信號。波形2示出具有0.2伏dc偏置的2.4伏峰-峰信號。這些信號分別表示右和左(R和L)立體聲音頻通道信號。節點80上的可變dc信號輸出(見圖1)由波形#3指示的各個波形示出.它是波形#1和#2的峰-峰電壓之和。圖2A的波形#3表示禁用限制電路50時，在節點80上的dc可變電壓。因此，和的正峰值電壓為+6.3v，而負峰值電壓下降到-0.6v。圖2B示出與圖2A相同的一組波形，只是此時啟用了圖1的+5v限制電路50。在這種情況下，取和L+R信號波形#3的峰值在5.0v峰值處受到削波，其實際峰-峰電壓為5.6v。CR1的鉗位電路用於產生-0.6v的最小電壓值，如圖2A所示。
圖2C示出第二對表示左右立體聲音頻通道信號的輸入波形，其中每個信號具有相同的2v峰-峰信號，且沒有dc偏置。由此，L+R取和信號波形#3是4v峰-峰信號，峰值分別是+3.4v和-0.6v。儘管在圖2A、2B和2C中沒有示出，仍可以確定節點90上的dc幅度值由取和波形#3的正峰值減去二極體CR2上的0.6v二極體電壓降來表示。
注意，在使用音頻設備例如電視接收機的音量控制系統時，如圖3所示，峰-峰檢測器在輸出端子輸出dc電壓，該輸出端子連接到處理器，例如具有將dc輸出信號轉換成數字樣本序列的A/D轉換器的微控制器。處理器根據這些數字樣本控制音量，以便消除與高聲音頻L+R信號相關的大幅度瞬變信號特性，例如爆炸、開炮、開槍等。信號的壓縮是通過數控音量控制器的軟體控制完成的。
注意，在此描述的檢測器電路可以用於各種音頻系統中，包括用在顯示設備中的電視接收機(通常稱為電視機)，以及沒有顯示設備的電視接收機，例如VCR。還應注意，某些FM收音機能夠接收和再現電視聲音信號。這樣，本發明的的峰-峰檢測器也可以用在這種FM收音機中，作為根據左右立體聲音頻通道信號的峰-峰幅度來控制音量的處理器的輸入。
權利要求
1．一種用於電視接收機的峰-峰檢測器電路，電路包括接收左(L)和右(R)立體聲音頻通道信號、並形成指示左右立體聲音頻通道信號之和的L+R音頻信號的裝置；根據所述L+R音頻信號產生具有與L+R音頻信號相對應的時間-幅度關係的可變dc信號的鉗位裝置，該裝置將與可變dc信號有關的最小幅度限制在預定最小值；和根據所述可變dc信號產生其幅度比例於所述L+R音頻信號的峰-峰幅度之和的dc輸出信號的整流裝置。
2．權利要求1的檢測器電路，其中所述鉗位裝置包括具有接收L+R音頻信號的輸入端子和連接到電阻器的第一端子的輸出端子的取和放大器、具有第一和第二端子的電容器，其中電容器第一端子連接到電阻器的第二端子，電容器第二端子連接到二極體的陽極。
3．權利要求1的檢測器電路，其中所述整流裝置包括連接在第二二極體和參考電位之間的第二電容器，其中當第二二極體導通時，第二電容器根據dc輸出信號進行充電。
4．權利要求3的檢測器電路，其中整流裝置還包括與第二電容器並聯構成放電電路的第二電阻器，當L+R音頻信號的幅度基本為零時，放電電路根據給定的放電時間值對檢測器電路進行放電。
5．權利要求4的檢測器電路，其中第二電容器根據給定的充電時間值進行充電。
6．權利要求5的檢測器電路，其中放電時間值遠大於充電時間值。
7．權利要求1的檢測器電路，還包括將輸出dc信號的最大幅度限制在與不高於接收輸出dc信號的處理器的工作電壓的電壓相對應的預定最大值。
8．權利要求7的檢測器電路，其中第二鉗位裝置包括在輸出端子產生恆定輸出電壓的放大器和其陽極連接到放大器輸出端子的第三二極體，由此第三二極體通過放大器導通，以便當第三二極體的陰極電壓超過放大器輸出電壓預定量時限制輸出dc信號的最大電壓幅度。
9．權利要求8的檢測器電路，其中所述預定量對應於第三二極體上的電壓降。
10．一種用於音頻系統中的峰-峰檢測器電路，包括具有接收L+RAC音頻信號的輸入端子和與串聯的電容、電阻串聯在一起的輸出端子的第一放大器，以產生與輸入的L+RAC音頻信號相對應的時間-幅度關係的可變dc電壓。其陰極連接到參考電位、其陽極連接到電容的鉗位二極體，用於將可變dc電壓的負幅度漂移限制在預定的最小值；和其陰極連接到鉗位二極體的陽極、其陽極連接到第二電容的整流二極體，以根據可變dc電壓的幅度對第二電容進行充電，用於產生比例於L+R音頻信號的峰-峰幅度的dc輸出信號。
11．權利要求9的檢測器電路，還包括效應整流二極體的陽極電壓用於將dc輸出信號鉗位在最大值的限制電路。
12．權利要求10的檢測器電路，其中所述最大電壓值對應於不大於接收輸出dc信號的處理器的工作電壓的電壓。
13．權利要求10的檢測器電路，其中限制電路包括連接到第二鉗位二極體的第二放大器。
14．權利要求12的檢測器電路，其中第二放大器在輸出端子產生恆定電壓，第二鉗位二極體的陽極連接到第二放大器的輸出端子，其陰極連接到整流二極體的陽極，由此，第二鉗位二極體通過第二放大器導通，以便當整流二極體的陽極電壓與放大器輸出電壓之差大於第二鉗位二極體上的電壓降時，限制輸出dc信號的最大幅度。
15．權利要求12的檢測器電路，其中第二電容器的充電時間由第一電阻器和第二電容器的參數值決定。
16．一種控制L+R立體聲音頻信號值的音量控制系統，包括峰-峰檢測電路，包括接收L+R立體聲音頻信號、並產生與反相的L+R立體聲音頻信號相對應的信號的裝置；根據L+R音頻信號、產生具有與L+R音頻信號相對應的時間-幅度關係的可變dc信號的鉗位電路，其中所述鉗位電路將可變dc信號的負漂移限制在最小電壓值；和針對所述可變dc信號、產生其幅度比例於L+R音頻信號的峰-峰幅度和的輸出信號的整流裝置；和一個處理器，針對輸出dc信號，比較輸出dc信號的幅度和閾值，以確定幅度差值，並根據該差值調整L+R立體聲音頻信號的幅度。
17．權利要求16的音量控制系統，其中所述峰-峰檢測器電路還包括將輸出dc信號的正漂移限制在最大電壓值的限制電路。
18．權利要求17的音量控制系統，其中處理器包括具有按照預定的時間間隔對輸出dc信號進行採樣的模數轉換器的微計算機和根據所述差值調整L+R立體聲音頻信號的幅度的壓縮器。
19．權利要求18的音量控制系統，其中所述最大值對應於不大於接收所述輸出dc信號的模數轉換器的工作電壓的電壓。
20．權利要求16的音量控制系統，其中所述可變dc信號的最小電壓基本上等於-0.6伏特。
全文摘要
用於音頻系統的峰－峰檢測電路包括具有接收L+R AC音頻信號的輸入端子和與串聯的電容、電阻串聯在一起的輸出端子的第一放大器,以產生與輸入L+R AC音頻信號相對應的時間－幅度關係的可變dc電壓。其陰極連接到參考電位、其陽極連接到電容的鉗位二極體用於將可變dc電壓的負幅度漂移限制在預定的最小值。其陰極連接到鉗位二極體的陽極、其陽極連接到第二電容以根據可變dc電壓的幅度對第二電容進行充電的整流二極體用於產生比例於L+R音頻信號的峰值幅度的dc輸出信號。
文檔編號H03G3/20GK1285133SQ98813529
公開日2001年2月21日 申請日期1998年12月8日 優先權日1997年12月8日
發明者A·A·胡佛 申請人:湯姆森許可公司