DE2219559C2 - Tastsystem in einer elektronischen Syntheseorgel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Tastsystem für eine elektronische Syntheseorgel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,

Eine Syntheseorgel dieser Art ist beispielsweise in der US-PS 19 56 350 beschrieben und nutzt die Tatsache, daß sich anhaltende komplexe musikalische Töne synthetisieren lassen, indem man Sinuswellen der Grundfrequenz des aufzubauenden Tons sowie deren Harmonische im richtigen Amplitudenverhältnis mischt Dies wird bei der bekannten Orgel dadurch erreicht, daß jede der Spieltasten eine Mehrzahl von Kontakten betätigt. Beispielsweise werden bei der Betätigung der Taste für A-440 Hz ein Sinusgenerator für 440 Hz an eine Grundwellenschiene, ein 880-Hz-Generator an die

ίο Sammelschiene für die zweite Harmonische und ein I32u-Hz-Generator an die Sammelschiene für die dritte Harmonische usw. gelegt Durch Verbinden der verschiedenen Sammelschienen über Spannungsteiler oder über die Primärabgriffe von Transformatoren mit dem Ausgang lassen sich die relativen Amplituden wunschgemäß einstellen. Im allgemeinen erfordern derartige Orgeln etwa neun Kontakte für jede der Spieltasten.

Ein Nachteil der Betätigung einer Mehrzahl von Kontakten durch eine Spieltaste besteht jedoch darin, daß der Betätigung der Taste mehr Widerstand entgegengesetzt wird und daß infolge der niedrigen Signalpegel äußerst hochwertige und damit teure Kontaktsysteme erforderlich sind. Außerdem lassen sich die beim Tasten auftretenden Ausgleichs- und Einschwingvorgänge nur schwer kontrollieren und es ist auch der Einfluß auf die Hüllkurve der getasteten Wellen begrenzt.
Ein Vorteil des zuvor beschriebenen Systems besteht darin, daß es eine weitgehende Steuerung der Tonqualität ermöglicht, da sich die Amplituden der Grundwelle und ihrer Harmonischen wunschgemäß auswählen lassen.

Eis ist eine andere Art von elektronischen Orgeln bekannt, die gewöhnlich als Formantenorgel bezeichnet wird und die von Signalen mit starken Oberwellengehalt ausgeht. Zur Änderung des Harmonischen-Gleichgewichts dieser komplexen Signale werden Formantenkreise verwenden, die beispielsweise auf der Grundlage der Resonanz als Frequenzdiskriminatoren arbeiten. Dieses System weist zwar nicht den breiten Bereich der Auswahl der Tonfärbung auf, der sich mit der Syntheseorgel erreichen läßt. Da es hierbei jedoch nicht erforderlich ist, eine Vielzahl von Signalen, die der Grundfrequenz und deren Harmonischen entsprechen getrennt zu tasten, ist es möglich, durch Gleichspannungstastung kompliziertere Tonhüllkurven zu erreichen, da allgemein gesagt, pro Tonsignal nur ein Taütkontakt erforderlich ist, um die komplexen Signale zu 'lasten.

Aus der US-PS 34 10 948 ist ein elektronisches Musikinstrument bekannt, bei dem zur Erzeugung eines Tons die Ausgangssignale von Frequenzteilern, die beispielsweise einen rechteckwellenförmigen Verlauf aufweisen und höhere Harmonische beinhalten, in Sinuswellen umgewandelt werden. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, die Spannungspegel der Signale einzustellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektronische Syntheseorgel anzugeben, bei der eine Gleichspannungstastung der Grundwelle und der verschiedenen Harmonischen mit jeweils nur einem Kontakt möglich ist und bei der die freie Wahl der relativen Pegel der Harmonischen gewahrt bleibt.

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs bereits erwähnte Syntheseorgel gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Vorteile der Gleichspannungstastung über nur einen Kontakt mit der Frequenzaufbereitung nach dem Syntheseprinzip zu verbinden.

Vorteilhafterweise werden bei der vorliegenden Erfindung Rechteck-Wellensignale verwendet, die sich billiger erzeugen lassen als Sinus-Welleiisignale.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darm, daß sich insbesondere Frequenzteiler und integrierte MOSFET-Schaltkreise verwenden lassen.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild der vorliegenden Erfindung, und

Fig.2 eine modifizierte Ausführungsform für das erfindungsgemäße Tastsystem.

Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß eine Gleichspannung auf die den Pegeln der Grundwelle und der Harmonischen entsprechenden Werte geteilt und durch Tonsignale für die Grundwelle und deren Harmonische zerhackt wird, so daß sich eine Reihe von Rechteckwellen der Zerhackerfrequenzen im gewünschten Amplitudenverhältnis ergibt. Diese Rechteckwellen werden sodann einzeln getastet. Die Hüllkurveneinstellung erfolgt durch Bandfilter, die bis auf die Grundwelle des getasteten Signals sämtliche Frequenzen sperren. Die ausgefilterten Ausgangssignale werden sodann gemischt, um Ausgangssignale des gewünschten harmonischen Gehalts und der gewünschten Anstiegsund Abfallcharakteristik zu erhalten.

Eine besonders billige Anordnung zur Erzeugung aller für eine elektronische Orgel erforderlichen Töne läßt sich dadurch realisieren, daß man die 12 Töne der obersten Oktave des Instruments erzeugt und durch Frequenzteiler in der Form von bistabilen Flip-Flops, die eine Frequenzteilung durch 2 bewirken, teilt, um die Signale für die nächstniedrigere Oktave zu erzeugen. Auf diese Weise können durch weitere Frequenzteilungen weitere Oktaven erzeugt werden. Da die Ausgangssignale der am häufigsten verwendeten binären Frequenzteiler in der Form von Rechteckwellen vorliegen, lassen sich diese Signale in einer Syntheseorgel nicht unmittelbar verwenden, da diese auf der Mischung einer Auswahl von Sinuswellen beruht. Bei der vorliegenden Erfindung können derartige Rechteckwellen verwendet werden, ohne daß es erforderlich ist, den Ausgängen jeweils Sinuswellen-Filter vorzuschalten. Die vorliegende Erfindung läßt sich auch auf andere bekannte Systeme mit Rechteckwellen-Signalen anwenden.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen einzigen Tastblock, der so aufgebaut ist, daß er die Tastfunktion für sämtliche Signale liefert, die aufgerufen werden können, um Einzeltöne für eine bestimmte Spieltaste der Orgel zu liefern. Der hier dargestellte Block ist im Interesse einer kurzen Darstellung für die Taste des A mit der internationalen Normfrequenz von 440 Hz bestimmt. Es ist nur ein Tastblock dargestellt, da die Tastblöcke für andere Spieltasten identisch aufgebaut sein können, wobei jedoch andere Verbindungen nötig sind.

Wie oben in der F i g. 1 dargestellt, sind die einzelnen Töne, deren Grundwellen zum Aufbau des komplexen A-440-Hz-Tones verwendet werden, an die Leitungen 20,22,24,26,28,30 32,34 und 36 gelegt. Es handelt sich um den 8'-Ton bzw. die Grundwelle bei 440 Hz, den 4'-Ton bzw, die zweite Harmonische bei 880 Hz, den 2-2/3' bzw. die dritte Harmonische bei 1320Hz, den 2'-Ton bei 1760Hz₁ den l-3/5'-Ton bei 220 Hz, den l-l/3'-Ton bei 2640 Hz, den l'-Ton bei 3520 Hz, den 16'-Ton bei 220 Hz und den 5-l/3'-Ton bei 660 Hz.

Diese Signale können als Rechteckwellen mit den angegebenen Werten entsprechender Grundfrequenz und einer Reihe abnehmender ungerader Harmonischer aufgefaßt werden, wie es für Rechteckwellen kennzeichnend ist Diese Signale liegen entsprechend auch an den Eingangsklemmen anderer Tastblöcke für andere

ίο Spieltasten. Beispielsweise liefert das 440-Hz-Signal die Grundwelle für den dargestellten Tastblock. Weiterhin liefert es die zweite Harmonische für Α-Taste der nächstniedrigeren Oktave, die vierte Harmonische für die Α-Taste der darunterliegenden Oktave usw. Dieses Prinzip der Mehrfachausnutzung von Signalen ist für Syntheseorgeln allgemein üblich und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden. Bezüglich weiterer Details wird auf die US-PS 19 56 350 verwiesen.

Der Tastblock 10 ist ein integrierter MOSFET-Schaltkreis, bei dem sämtliche aktiven Elemente auf einem einzigen Stück Substratmaterial oder »Chip« ausgebildet sind. Ein Chip weist neun identische Abschnitte auf, die von links als SF, S3, F, 2, 3,4,5,6 und 8 bezeichnet sind. Diese Kennzeichnung bezieht sich auf die oben angegebene Reihenfolge von den Subharmonischen über die Grundwelle bis zur achten Harmonischen.

Die neun Tastabschnitte bestehen jeweils aus zwei MOSFET-Elemente (Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistoren). Derartige Elemente haben, wie dem Fachmann bekannt, die Eigenschaft, daß der Leitungszustand zwischen der Eingangselektrode, dem Kollektor, und der Ausgangselektrode, dem Emitter, vom Potential an der Gate-Elektrode abhängt. Je negativer das Gate gegenüber einem Schwellenwert ist, desto stärker ist bei einem P-Kanal-Anreicherungs-MOSFET-Transistor die Leitung.

In der Zeichnung ist mit 40 ein Anschluß mit — 5 V bezeichnet. Dieser Anschluß liegt an einem Ende eines mit Abgriffen versehenen niederohmigen Widerstandes 42, dessen anderes Ende an Masse liegt. An den verschiedenen Abgriffen steht also jede Spannung zwischen - 5 V und Massepotential in bestimmten diskreten Schritten zur Verfügung. Die Abgriffe liegen in Reihenfolge an acht parallelen Kontaktstreifen 44,46, 48, 50, 52, 54, 56 und 58, so daß diese Streifen auf bestimmten Teilspannungen zwischen -5 V des Streifens 44 und Massepotential des Streifens 58 liegen. Neun Schieber oder Zugstangen 60, die einzeln mit den Stellungsbezeichnungen der Taster, die sie steuern, gekennzeichnet sind, sind so angeordnet, daß sie sich über die Kontaktstreifen bewegen können. Beispielsweise kann der Schieber 60 der Stellung SF aus dieser Stellung nach oben gezogen werden, so daß sein Kontaktglied 62 mit einem der Kontaktstreifen 44 bis 58 in Berührung tritt, um das bestimmte Potential zwischen -5 V und Masse auszuwählen und es auf die Leitung 64 zu geben, die mit dem Kontaktglied 62 des Schiebers verbunden ist.

Die Zuleitungen für die einzelnen Schieber-Kontaktglieder 62 sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Schieber

Leitung

SF S3 F

64
66
68

Fortsetzung

Schieber

Leitung

70
72
74
76
78
80

Nimmt man als Beispiel den am linken Ende befindlichen Tastabschnitt der Stellung SF, so sind dessen beide MOSFETs mit 82 und 84 bezeichnet. Die erwähnte Gleichspannungsleitung 64 liegt am Kollektor des Eingangstransistors 82, dessen Gate mit der Signalleitung 34 verbunden ist, die das 16'-Rechtecksignal mit einer Frequenz von 220 Hz führt. Der Emitter liegt über die Leitung 86 am Kollektor des Ausgangstransistors 84, dessen Emitter mit der Ausgangsleitung 88 für die getastete 16'-Rechteckwelle verbunden ist. Am Gate des Transistors 84 liegt die Tastleitung 90, die auch mit den Gates sämtlicher Ausgangstransistoren der anderen Tastabschnitte des Blocks verbunden ist.

Eine Tastspannung von —25 V ist mit 92 bezeichnet und liegt über Arbeitskontakte, die ein Teil der Spieltaste 94 für das A — 440 Hz — sind, an der Tastleitung 90. Beim Anschlagen der Spieltaste schließen diese Kontakte; beim Loslassen der Taste öffnen sie sich.

Vorteilhafterweise kann man eine Anordnung vorsehen, mit der sich die Anstiegs- und Abfallzeit der angeschlagenen Note beeinflussen läßt, um Ausgleichsbzw. Einschwingvorgänge zu vermeiden, die zu Störspannungen führen können, und um weitere nützliche Effekte — wie Schlagzeugeffekte usw. — zu erhalten. Ein solches System ist im weitesten Sinne durch den Reihenwiderstand 96 in der Leitung 90 sowie die Parallelschaltung des Kondensators 98 und des Widerstandes 100 zwischen Masse und dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 96 und der Leitung 90 gezeigt Die elektrischen Werte dieser Elemente werden nach den für die Gleichspannungstastung allgemein üblichen Grundsätzen so gewählt, daß sich eine erwünschte Hüllkurve ergibt Das dargestellte Netzwerk ist ein typisches Beispiel für eine Gruppe bekannter Anordnungen, die sich zur Beeinflussung der Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit der Gleichspannung auf der Leitung 90 beim Anschlagen oder Loslassen der Spieltaste einsetzen lassen.

Die anderen Tastabschnitte sind in gleicher Weise verbunden, d. h. der Kollektor jedes Eingangstransistors 82 liegt an der zugeordneten Gleichspannungsleitung 74—80, so daß die an jedem Kollektor liegende Gleichspannung der von dem zugeordneten Schieber 60 gewählten entspricht Weiterhin liegen an den Gates der Eingangstransistoren 82 die entsprechenden Rechtecksignale 20 bis 36. Diese Rechteckwellen haben eine negative Spannungsampl;tude, die ausreicht um die •Eingangstransistoren 82 im vorliegenden Anwendungsfall voll auszusteuern. In jedem Fall ist der Emitter des Eingangstransistors 82 mit dem Kollektor des Ausgangstransistors 84 verbunden. Sämtliche Gates der Ausgangstransistoren 84 liegen an der Leitung 90, und die Emitter der Ausgangstransistoren liegen jeweils an den entsprechenden Rechteck-Ausgangsleitungen 88.

In der bisher beschriebenen Form arbeitel das System wie folgt. Die Einstellung der einzelnen Schieber 60 bestimmt jeweils die an die Kollektoren der Eingangstransistoren der Taster für die einzelnen Harmonischensignale gelegten Gleichspannungen. Die Rechteckwellen bewirken Schwankungen des Potentials an den Gates der Eingangstransistoren 82, wobei die Gleichspannung an den Kollektoren mit der Frequenz der an den Gates anliegenden Eingangssignale erscheint, da der schnelle negative Spannungsanstieg bzw. -abfall den Transistor mit der Signalfrequenz öffnet oder sperrt. Wenn also mittels eines Schiebers 60 eine bestimmte Gleichspannung gewählt und an den Kollektor des Eingangstranistors 82 des Tastabschnitts SFgelegt wird, ist das Ausgangssignal am Emitter dieses Transistors ein 220-Hz-Rechtecksignal, dessen Amplitude von der gewählten Spannung abhängt.

Die verschiedenen Rechtecksignale mit den von den Schiebern 60 gewählten Potentialen und den Frequenzen der verschiedenen Signale erscheinen an den Emittern der Ausgangstransistoren 82. Diese Transistoren sind nomalerweise gesperrt, bis die Spieltaste für den gesamten Block 10 angeschlagen wird. Wenn dies der Fall ist, fällt die Spannung auf der Leitung 90 mit einer Geschwindigkeit auf -25 V ab, die im wesentlichen von den elektrischen Werten des Widerstandes 96 und des Kondensators 98 bestimmt wird. Sämtliche Ausgangstransistoren schalten also glatt und gleichzeitig durch.

Wenn umgekehrt die Spieltaste losgelassen wird, sperren die Ausgangstransistoren glatt und gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit die im wesentlichen von den elektrischen Werten des Kondensators 98 und des Widerslandes iOO bestimmt wird. In diesem System ist der Ausgang (Emitter bei 84) niederohmig abgeschlossen, und die Impedanze bei 82 ist wesentlich geringer als bei 84. Folglich ergibt sich eine Stromhüllkurve, die der Spannung auf der Leitung 90 und der Spannung auf der Leitung 64—80 proportional ist Auf den Ausgangsleitungen 88 (jeweils eine Leitung für jeden Tastabschnitt) erscheinen also die Rechteckwellen der verschiedenen Frequenzen und einzeln gewählten Amplituden mit geeigneter Tasthüllkurve.

Die Leitungen 88 führen zu Sinusfiltern 102, deren Ausgänge gemeinsam an einer Leitung 104 liegen, die ihrerseits zur Ausgangseinheit 106 der Orgel führt, die in einer herkömmlichen Weise aufgebaut sein kann.

Die Sinusfilter 102 sind vorzugsweise Bandfilter, die so ausgelegt sind, daß ein Bandfilter jeweils sechs bis etwa dreizehn nebeneinanderliegende Halbtöne durchläßt Es ist zwar möglich, die Bandfilter für bis zu 18 Haibtönc auszulegen; die Gcsamtkosten für das System lassen sich aber niedrig halten, wenn die Bandbreite etwa eine Oktave beträgt Filter dieser Art unterdrükken aus dem am Eingang anliegenden Rechtecksignal sämtliche Harmonischen bis auf die Grundwelle, so daß die am Ausgang 104 stehenden Ausgangssignale im wesentlichen reine Smuswellen sind. Dies läßt sich mit Filtern auch großer Bandbreite unschwer erreichen, da bei einer Rechteckwelle die der Grundwelle am nächsten liegende Harmonische die dreifache Frequenz der Grundwelle hat Folglich ist es nicht erforderlich, für jede Signalquelle ein solches Filter vorzusehen. Wie bereits angegeben, kann jedes Filter für sechs bis etwa dreizehn nebeneinanderliegende Halbtöne eingerichtet sein. Die bei 108 gezeigten zusätzlichen Filtereingangsleitungen sind mit anderen nicht dargestellten Tastblökken verbunden, die so angeschlossen sind, daß sie die

gleiche Filtergruppe ausnutzen.

Aus der Betrachtung der oben beschriebenen Ausführungsform ergibt sich, daß das System die Synthese von Sinuswellen für die Grundwelle und geeignete Harmonische erlaubt, wobei jede Harmonische durch entsprechende Einstellung der Schieber oder Zugstangen 60 im Verhältnis zu den anderen Harmonischen in ihrer Amplitude einstellbar ist. Weiterhin ist für die Grundwelle und alle Harmonischen eine Gleichspannungstastung vorgesehen, die sämtliche Vorteile einer Gleichspannungstastung in das System einbringt — wie z. B. das Vermeiden von Ausgleichsvorgängen, Einstellbarkeit der Tast'hüllkurve innerhalb eines bereiten Bereichs, Tastung von Gleichspannungen mittels eines einzigen Kontakts bei einem Pegel, der für Arbeits- und Ruhekontakte geeigneter ist als der bei der Verwendung von Mehrfachkontakten (Wechselspannungstastung) mögliche Pegel.

Die Fig.2 zeigt eine geringfügige Abänderung des Systems. Hierbei sind die Tastleitung 90 und die Signalleitung 34 vertauscht. In der Auswirkung liegt die Tasthüllkurve an der Zugstangenspannung, die von den Schiebern 60 für den Eingangstransistor gewählt wurde; hiernach wird die getastete Gleichspannung im zweiten bzw. Ausgangstransistor mit der entsprechenden Frequenz zerhackt.

Wie bereits erwähnt, ist das System gut für die Integration geeignet, da sämtliche Tastblöcke für alle Spieltasten wegen der Frequenzunabhängigkeit der Blöcke untereinander gleich sein können.

Zur Vereinfachung der Ausdrucksweise wird der Ausdruck »Harmonische« so verstanden, daß er bezüglich der in der Signalsynthese verwendeten Frequenzen auch die Grundwelle einschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Tastsystem in einer elektronischen Syntheseorgel zum gleichzeitigen Tasten der gewünschten Gruppe von Harmonischen zum Aufbau einer Note in Abhängigkeit von der Betätigung einer über einen Kontakt ein Tastenpotential erzeugenden Taste, mit einer Einrichtung, die eine Mehrzahl von Rechteck-Tonsignalen zur Erzeugung der Grundfrequenzen der zu tastenden Harmonischen erzeugt, bei dem Rechteck-Tonsignale einem Sinus-Filter zugeführt werden, in dem die Rechteck-Tonsignale aufsummiert und alle Frequenzkomponenten außer den Grundfrequenzen entfernt werden, und bei dem die Ausgangssignale der Sinus-Filter einem gemeinsamen Ausgangskreis zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gemeinsamen Substrat für jede der zu tastenden Harmonischen (SF220HZ, 53-660Hz, F-440Hz, 2-880 Hz, 3-1320Hz, 4-1760Hz, 5-2200 Hz, 6-2640 Hz, 8-3520 Hz) eine aus einem ersten Transistorschalter (82) und einem zweiten Transistorschalter (84) bestehende Schaltung vorgesehen ist, daß der Ausgang des ersten Transistors (82) mit dem Eingang des zweiten Transistors (84) verbunden ist, daß eine Einrichtung (60) zur Erzeugung einer Mehrzahl von bezüglich ihres Pegels einstellbaren Gleichspannungssignalen vorgesehen ist, daß jeweils eines der einstellbaren Gleichspannungssignale mit dem Eingang des ersten Transistors (82) einer der Schaltungen verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Transistors (84) dieser Schaltung jeweils mit einem der Sinus-Filter verbunden ist, daß die Steuereingänge der zweiten Transistoren (84) der Schaltungen jeweils über einen durch eine der Tasten betätigbaren Kontakt (94) mit einem Tastpotential verbindbar sind, und daß an jeweils einem Steuereingang des ersten Transistors (82) einer Schaltung eines der Rechteck-Tonsignale anliegt.

2. Tastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60) zur Erzeugung einer Mehrzahl von bezüglich ihres Pegels einstellbaren Gleichspannungssignalen dieselben Gleichspannungssignale für dieselben Harmonischen der anderen Tasten oder Noten zugeordneten Schaltungen erzeugt.

3. Tastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinus-Filter (102) individuell so verbunden sind, daß sie 6 bis 18 nebeneinanderliegende Halbtonsignale der Orgel filtern.

4. Tastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (96, 98,100) vorgesehen ist, durch die dem Tastpotential bei der Betätigung eines einer Taste zugeordneten Kontakts (94) eine bestimmte Hüllkurve des Spannungsanstiegs bzw. des Spannungsabfalls erteilt wird.