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Die Erfindung betrifft einen mit einer Tastatur betätigten Tongenerator,
insbesondere für ein elektronisches Musikinstrument, mit mittels der Tastatur betätigten
Schaltern zur Lieferung einer der gewünschten Tonfrequenz entsprechenden Spannung.
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Es ist bekanntlich einfach, mit Hilfe von Widerständen bei konstanter
Speisespannung jede beliebige Zwischenspannung zu erzeugen. Aus diesem Grund findet
eine derartige Tastatur bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung - wie weiter
unten erläutert werden wird - Anwendung. Nachdem es soweit gelungen ist, eine einer
bestimmten Taste entsprechende Spannung in einfacher Weise herzustellen, wäre es
weiter zweckmäßig, wenn man diese Spannung mit möglichst einfachen Schaltmitteln
in eine - am besten analoge - Frequenz umsetzen könnte, weil damit natürlich das
»Stimmen« eines entsprechenden Musikinstruments, beispielsweise, sehr einfach wäre,
indem man den Spannungsteiler der Tastatur hinsichtlich seiner Widerstände genau
einstellt. Es ist aber schwierig, z. B. einen astabilen NF-Multivibrator zu bauen,
dessen Kippfrequenz als Ausgangsgröße in einem möglichst einfachen Verhältnis zu
der von der Tastatur gelieferten und als Eingangssignal an ihn dienenden Steuerspannung
steht.
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Die Erfindung beseitigt diese prinzipielle Schwierigkeit bei einem
Tongenerator der eingangs bezeichneten Gattung, welcher ferner ein als Sägezahngenerator
geschalteten Transistor aufweist, dessen Kippschwingzeit von derjeniger Zeit bestimmt
ist, in der ein Kondensator bis zur Zusammenbruchspannung des Transistors geladen
wird, dadurch, daß die der Tonfrequenz entsprechende Spannung in einen Gegenkopplungsverstärker
eingegeben und dessen Ausgang als Steuergröße in einen Stromgenerator eingespeist
ist, dessen Ausgangsstrom der Steuerspannung analog ist, daß der Stromgenerator
den Ladestrom für den Kondensator des Sägezahngenerators liefert und daß die Schaltfrequenz
des Sägezahngenerators einen Frequenzgenerator steuert, dessen Ausgangsfrequenz
in ganzzahliger Proportion zur Schaltfrequenz steht.
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Ein besonders wichtiger Gedanke der Erfindung besteht demnach darin,
den die Kippfrequenz bestimmenden Kondensator nicht mit einer von der Steuerspannung
abhängigen Spannung, sondern vielmehr mit einem von dieser Steuerspannung analog
abhängigen Strom zu speisen.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist in Weiterbildung
vorgesehen, daß jeder Taste der Tastatur ein Schalter zugeordnet ist, welcher beim
Schließen die Spannung eines Punktes eines Spannungsteilers an einen weiteren Kondensator
legt, dessen Spannung das Eingangssignal des Gegenkopplungsverstärkers ist. Dabei
kann mit jeder Taste ein zweiter Schalter verbunden sein, der im Schließzustand
die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators an den Ausgang des Tongenerators ankoppelt.
Der Transistor des Kippschwingoszillators kann dabei einer mit nur einem Übergang
sein, d. h. eine sogenannte »Doppelbasisdiode«. Der in Abhängigkeit der Steuerspannung
einen dieser proportionalen Strom liefernde Konstantstromgenerator kann im wesentlichen
aus einem Transistor bestehen.
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In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann in Reihe mit dem Spannungsteiler
ein einstellbarer Widerstand liegen, und es kann das Verhältnis zwischen der von
einem Punkt am Spannungsteiler gelieferten Spannung und der Ladestromstärke für
den Kondensator des Sägezahngenerators einstellbar sein.
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In einer technisch bewährten Ausführung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß zum Verbinden seines Ausgangs mit dem Ausgang des Frequenzgenerators ein Schalttransistor
vorgesehen ist, an dessen Steuerelektrode über einen Gleichrichter die zweiten Schalter
das Schaltsignal legen, daß mit der Steuerelektrode ein Anschluß eines Kondensators
verbunden ist, dessen anderer Anschluß mit einem vom Schaltsignal verschiedenen
Potential liegt, insbesondere geerdet ist, und daß parallel zu diesem Kondensator
ein Widerstand liegt.
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Endlich können eine oder mehrere in Kaskade geschaltete und als Frequenzteiler
arbeitende Flip-Flop-Schaltungen den Frequenzgenerator im wesentlichen bilden.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter
Hinweis auf die Zeichnung erläutert, in welcher ein Schaltplan des Ausführungsbeispiels
dargestellt ist.
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Bei der bevorzugten Ausführung, die in der Zeichnung gezeigt ist,
ist eine Stromversorgung mit zwei verschiedenen Potentialen vorgesehen, die nicht
im einzelnen dargestellt ist. Zu diesem Zweck können bekannte Stromquellen verwendet
werden, die am Anschluß 11 eine Spannung von -f-15 Volt anlegen und am Anschluß
12 eine Spannung von +28 Volt. Dabei ist die 28-Volt-Spannung bezüglich der 15-Volt-Spannung
so gesteuert, daß die Differenz zwischen diesen Spannungen, d. h. die Potentialdifferenz
an den Anschlüssen 11 und 12, innerhalb sehr enger Grenzen konstant bleibt. Zwischen
den Anschlüssen 11 und 12 ist ein Tastatur-Spannungsteiler vorgesehen, der folgende
Widerstände in Reihe vom Anschluß 11 aus aufweist: Ein einstellbarer Widerstand
13, eine Reihe von festen Widerständen 14, 15, 16, 17, 18, 19 und einen Leitungswiderstand
21. Von diesem aus geht die Schleife zum Anschluß 12. Wie die Zeichnung zeigt, kann
zwischen den Widerständen 17 und 18 eine beliebige Anzahl von zusätzlichen Widerständen
im Spannungsteiler vorgesehen sein. Ein Nebenschlußwiderstand 22 liegt zwischen
dem Anschluß 11 und der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 19 und 21.
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Ein Satz Abstimmkontakte 23 ist mit einem Übertragungskontakt 24 für
jeden Widerstand 15 bis 19 des Spannungsteilers 20 verbunden. Wie die Zeichnung
zeigt, ist für den Widerstand 16 der übertragungskontakt 24 normalerweise im Eingriff
mit dem Kontakt 25, der mit dem nächsten übertragungskontakt des Schaltersatzes
23 verbunden ist. Wenn diejenige Taste der nicht gezeigten Tastatur, die dem vom
Schalter 24 gesteuerten Ton entspricht, niedergedrückt ist, dann macht der bewegliche
Kontakt 24 mit festem Kontakt 26 Kontakt und legt dabei an den beweglichen
Kontakt 24 diejenige Spannung, die an der Verbindung zwischen den Widerständen 15
und 16 herrscht. Wie die Zeichnung weiter zeigt, sind für alle Schalter des Satzes
23 die normalerweise die Kontakte 25 berührenden beweglichen Kontakte 24 mit dem
nächstniedrigeren Spannungsübertragungskontakt verbunden, so daß beim Niederdrücken
irgendeiner Taste eine Spannung in Reihe durch die verbleibenden höheren Spannungsstufen
des Schaltersatzes 23 geht, um
damit die gewählte Verbindungsspannung
vom Spannungsteiler 20 an einen Speicherkondensator 27 zu legen. Wenn
also der bewegliche Kontakt 24 für den Widerstand 16 am Kontakt
26 anliegt, dann wird der Kondensator 27 auf die Potentialdifferenz
aufgeladen, die zwischen dem Anschluß 11 (+ 15 Volt) und derjenigen Spannung besteht,
die an der Verbindung der Widerstände 15 und 16 herrscht. Man sieht weiter, daß
bei der Anordnung des Schaltersatzes 23 beim gleichzeitigen Niederdrücken zweier
Tasten und dem daraus resultierenden Umschalten von zwei beweglichen Kontakten
24, nur der Kontakt mit der höheren Spannung zur Übertragung von Ladungsmenge
auf den Kondensator 27 dient.
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Die Spannung am Kondensator 27 bestimmt das Basispotential eines Transistors
31, der die Eingangsstufe eines integrierenden Rückkopplungsnetzwerkes 32 mit Festkörper-Bauteilen
bildet. Der Ausgang dieses Netzwerkes 32, nämlich die Leitung 33, ist eine Spannungsquelle
niedriger Impedanz, wobei die Ausgangsgröße kennzeichnend für das Potential am Kondensator
27 ist. Diese Spannung wird über einen Widerstand 34 und einen einstellbaren Widerstand
35 an den Emitter eines Transistors 36 gelegt, welcher die Eingangsspannung in einen
konstanten Ausgangsstrom umsetzt, der seinerseits kennzeichnend ist für das Potential
auf der Leitung 33. Der Kollektor des Transistors 36 ist zur Ladung eines
Kondensators 37 mit diesem gegen Erde verbunden. Der Kondensator 37 liegt am Übergang
eines Transistors 38 mit nur einem Übergang (unijunction transistor). Eine Basis
des Transistors 38 ist bei 39 geerdet; eine Emitterleitung 41 ist mit der
Verbindung des Kondensators 37 und dem Kollektor des Transistors 36 verbunden, und
die andere Basiselektrode ist über einen 680-Ohm-Widerstand 42 mit der + 1.5-Volt-Spannungsquelle
am Anschluß 11 verbunden.
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Beim Betrieb der eben beschriebenen Schaltung wird die Ladung des
Kondensators 27 durch die Festkörper-Speicheranordnung 32 in eine Spannung
auf der Leitung 33 umgeformt, welche genau das Potential am Spannungsteiler
20 wiedergibt und aufrechterhält, das seinerseits durch einen der Schalter
24 gewählt wurde. Die Spannung auf der Leitung 33 wird in einen analogen
konstanten Strom durch den Transistor 36 umgeformt und lädt den Kondensator 37,
bis die Spannung am Kondensator 37 das Durchbruchpotential für den Emitter 41 des
Transistors 38 mit nur einem Übergang erreicht. Beim Leitendwerden des Übergangs
des Transistors 38 wird der Widerstand 37 entladen, und der übergang des Transistors
38 wird nichtleitend; diese Schwingung, die aus dem abwechselnden Laden und Entladen
des Kondensators 37 besteht, geht mit einer Frequenz vor sich, die bestimmt
ist, durch die Größe des dem Transistor 36 zugeführten Stromes. Der Wellenvorgang
am Kondensator 37 wird zur Ableitung von Tonfrequenzsignalen verwendet, welche in
ihrer Gesamtheit im Verhältnis zur Frequenz der Schwingung am Kondensator 37 steht.
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Das wellenförmige Signal am Kondensator 37 wird an zwei in Kaskade
geschaltete Flip-Flop-Stufen 43 und 44 gegeben, die ihrerseits als Binärzähler dienen
und einen Ausgang auf der Leitung 45 erzeugen, der eine Rechteckwelle mit
der halben Frequenz der Schwingfrequenz ist, und auf der Leitung 46 erhält
man eine Rechteckwelle mit der halben Frequenz bezüglich der Frequenz auf der Leitung
45. Die Rechteckwellen auf den Leitungen 45 und 46 werden an die Ausgangsanschlüsse
47 und 48 gekoppelt, wenn die Dioden 51. und 52 leiten.
Für einen Frequenzbereich des Transistors mit einem Übergang von 128 bis 512 Hz
entspricht der Ausgang am Anschluß 47 dem 8-Fuß-Ausgang-Tonbereich von 64 bis 256
Hz, und der Tonbereich am Anschluß 48
entspricht dem 16-Fuß-Ausgang von 32
bis 128 Hz.
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Um die Dioden 51 und 52 leitend zu machen, damit sie die Tonsignale
zu den Ausgangsklemmen 47
und 48 leiten, ist ein Satz von Antastkontakten
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vorgesehen. Dieser Antastkreis hat einen Einzugkontakt 54, der mit
dem entsprechenden beweglichen Übertragungskontakt 24 des Schalters 23 gekoppelt
ist. Wahlweise könnte auch ein einzelner Kontakt verwendet werden, der durch jeden
einzelnen übertragungskontakt 24 des Kontaktsatzes 23 betätigt wird.
Das Anschlagen irgendeiner Taste auf der Tastatur zur Betätigung des Kontaktes
24 bedient auch den Abtastkontakt 54, der mit dem ersteren verbunden
ist, um das positive Potential vom Anschluß 11 an eine Leitung 55 zu legen, die
mit einer derart gepolten Diode 56 in Reihe liegt, daß sie leitet, wenn die
positive Spannung durch den Schalter 54
angelegt wird.
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Wenn die Diode 56 leitet, dann wird ein großer Speicherkondensator
57 auf eine feste Spannung aufgeladen, die der Versorgungsspannung am Anschluß
11 entspricht. Der Kondensator 57 ist mit der Basis eines Transistors 58 verbunden,
und die Spannung über dem Kondensator 57 bestimmt die Basisspannung am Transistor
58. Wenn der Kondensator 57 auf positives Potential geladen ist, dann wird
der Transistor 58 leitend und legt das positive Potential vom Anschluß 11
an den mittleren Abtastpunkt zweier Widerstände 61 und 62, die in Brückenart mit
zwei weiteren Widerständen 63 und 64 verbunden sind, um das Leit- bzw. Nichtleitverhalten
der Dioden 51 und 52 zu steuern. Gerade so lang wie der Transistor
58 leitet macht das durch die Widerstände 61 und 62 an die Dioden
51 und 52
gelegte Potential die Dioden 51 und 52 leitend und legt die
Tonsignale von den Flip-Flops 43 und. 44
an die Ausgangsklemmen
47 bzw. 48.
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Wenn der Abtastkontakt 54 wegen Loslassen derjenigen Taste,
die ihn beim Niederdrücken geschlossen hat, offen ist, dann ist auch die Leitung
55 offen, und die Diode 56 geht wegen des positiven Potentials am Kondensator
57 in den nichtleitenden Zustand über. Die Ladung am Kondensator
57 läuft über einen relativ großen Widerstand 65 ab, wodurch der Transistor
58 im wesentlichen ständig leitend bleibt, wenn aufeinanderfolgende Tasten auf der
Tastatur relativ schnell gespielt werden. Um einen Abklingeffekt der erzeugten Töne
zu erzeugen, sind zwei Widerstände 66 und 67 zwischen Erde und die
Verbindungsstelle der Diode 56 mit dem Widerstand 59 für den Kondensator 57 gelegt.
Mittels der Schalter 71 und 72 können die Widerstände 76
bzw.
77 so geschaltet werden, daß sie den Entladungspfad für den Kondensator 57 ändern.
Durch eine solche Wahl des Widerstandes bei 66 und 67 werden verschiedene Entladungszeitkonstanten
erhalten. Wenn also die Schalter 71 und 72 geschlossen sind, dann fließt die Ladung
von Kondensator 57
relativ schnell ab, und der Transistor 58 geht kurz nach
dem Loslassen derjenigen Taste, welche den
Schalter 54 betätigte,
in seinen nichtleitenden Zustand über, wodurch die Zeit gesteuert wird, in welcher
die Dioden 51 und 52 in den nichtleitenden Zustand übergehen, um damit
die Übertragung der Tonsignale zu den Ausgangsklemmen 47 und 48 zu
beenden. Wenn einer oder beide Schalter 71 offen sind, kann man einen längeren Ton
erzielen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Schaltkreises
ist dessen Wirkungsweise für den Fachmann offenbar. Der erfindungsgemäße Kreis stellt
einen nur mit Festkörper-Bauteilen arbeitenden Kippschwingoszillator dar, der durch
ein Frequenzsteuersignal gesteuert wird, welches einerseits aus einer Speicherschaltung
kommt. Diese wiederum hält die Frequenz auf dem eingestellten Wert bei jedem Tastenanschlag
konstant. Der Ausgangsabtastkreis steuert das Anlegen der letzten Tonfrequenzsignale
an die Ausgangsklemmen und gestattet ein längeres Aushalten oder ein Abklingen des
Tones. Der Transistor 38 kann vom Typ 2 N 2646 sein und bildet mit dem Kondensator
37 einen Kippschwingoszillator, um damit die gewünschte Frequenz aufrechtzuerhalten,
aus welcher die Tonfrequenzen abgeleitet werden. Durch Einstellen des Widerstandes
13 können die Spannungsstufen über den aufeinanderfolgenden Widerständen 15 bis
22 des Spannungsteilers 20 eingestellt werden, wodurch dann der Tonabstand bzw.
die Frequenzdifferenz bestimmt wird, die ihrerseits von der Spannung über jedem
der Widerstände des Spannungsteilers 20 dargestellt wird. Auf diese Weise
kann man erreichen, daß die so erhaltenen Frequenzen den aufeinanderfolgenden Tasten
einer Tastatur entsprechen. Durch Einstellen des Widerstandes 35 kann der Abstimmbereich
für den Schwingkreis 38 eingestellt werden, womit man den Frequenzbereich so einstellen
kann, daß er dem Frequenzbereich desjenigen Instruments entspricht, zu dem die Tasten
gehören. Auf diese Weise kann man das komplette Stimmen des Instruments durch Einstellen
der beiden Widerstände 13 und 35 in relativ einfacher Weise besorgen, und durch
die Art der konstanten Spannungsversorgung und die sich nur sehr wenig ändernden
Eigenschaften der aus Festkörper-Bauteilen aufgebauten Arbeitskreise bleibt ein
so betriebenes Musikinstrument relativ lange genau gestimmt.