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R e c h t e c k g e n e r a t o r für elektronische, nach dem Dauertonverfahren
arbeitende Orgeln.
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Die Erfindung betrifft einen Rechteckgenerator für elektronische,
nach dem Dauerverfahren arbeitende Orgeln, die unter Verwendung von Oktavteilerkaskaden
mit Teilerstufen versehen sind, welche die im Hauptoszillator jeder Kaskade erzeugte
Frequenz jeweils im Verhältnis 2 : 1 teilen und an deren Ausgängen Rechteckschwingungen
mit einer Impulsdauer von 1/2 gegeben und abgreifbar sind.
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Gebräuchliche elektronische Orgeln verwenden sowohl die additive als
auch die selektive Klangformung, d.h., es werden obertonreiche öne erzeugt und das
Spektrum eines Tones durch Zusammensetzen aus Grundton und Obertönen gewonnen. Dieses
Frequenzgemisch wird anschließend über elektrische Filter geleitet, in welchen bestimmte
Brequenaen gedämpft, andere wieder verstärkt werden. Auf diese Weise kann man die
charakteristischen Klangfarben erhalten.
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Ivian verwendet deshalb Generatoren, welche obertonreiche Schwingungen
erzeugen. Gebräuchlich sind dabei Sägezahnschwingungen und Rechteckschwingungen
mit einer Impulsdauer von 1/-2 (bezogen auf die Periodendauer).
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Sägezahnschwingungen beinhalten zwar alle höheren Harmonischen, deren
Amplitude nimmt mit steigender Frequenz aber sehr schnell abe
Die
Sägezahnschwingungen werden in einem Hauptoszillator erzeugt und in nachfolgenden
Sperrschwingern, welche grob auf die gewünschte Frequenz abgeglichen werden, jeweils
im Verhältnis 2 : 1 geteilt, wobei die geteilten Frequenzen wieder Sägezahnschwingungen
sind0 Diese Sägezahnteiler sind verhältnismçißig aufwendig, da in ihnen Übertrager
verwendet werden.
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Rechteckschwingungen mit einer Impulsdauer von 1/2 beinhalten, wie
bei Sägezahnschwingungen, Obertöne mit derselben Amplitude, aber jeweils nur die
ungeradzahligen Harmonischen. Sie sind weniger obertonreich als Sägezahnschwingungen
und klingen etwas dumpf. Dies ist der hauptsächliche Grund, warum sich Rechteckgeneratoren
gegenüber Sägezahngeneratoren nicht durchsetzen konnten, obwohl sie mit Hilfe von
integrierten Schaltkreisen verhältnismäßig problemlos aufzubauen sind.
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Um zu obertoureichen Schwingungen zu kommen, wählt man außer der Erzeugung
von Sägezahnschwingungen auch den eg, daß man Rechteckschwingungen mit einer Impulsdauer
von 1/2 erzeugt und aus diesen durch Umformung Sagezahn- und Sinusschwingungen gewinnt,
welche sodann mit der ursprünglichen Rechteckschwingung verknüpft werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rechteckgenerator zu schaffen,
der bei einfacherem Aufbau und entsprechend geringeren Baukosten einen in seinem
Obertongehalt vergleichbaren Sägezahngenerator übertrifft.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß digitale Verknüpfungsglieder
zur Erzeugung von Rechtechschwingungen mit einer Impulsdauer von höchstens 1/4 vorgesehen
sind.
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In der Digitaltechnik können verhältnismäßig c einfach liech L -eckschwingungen
erzeugt werden, welche eine Impulsdauer von z/m aufweisen, wobei z<m ist mit
m, z gantzzahlig.
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Dies kann gemäß Erfindung dadurch erreicht werden, daß die m-fache
Frequenz der gewünschten Frequenz m-fach geteilt wird und beim Rückstellen dieses
m-Zählers nach einen Bistabilen Multivibrator setzt und diesen bei Erreichen von
z wieder zurücksetztO Besonders vorteilhaft ist es, nur solche Rechteckschwingungen
zu erzeugen, welche eine Impulsdauer von 1/2n aufweisen, wobei n>2 und ganzzahlig
ist.
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Dies bedeutet Impulsdauern von 1/4, 1/8, 1/16 u.s.w.bzw.
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die Teilung der vier-, acht- oder sechzehnfachen Frequenz.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Erzeugung
einer Rechteckschwingung mit der Frequenz f und 1.
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einer Impulsdauer von 2n diejenigen n aufeinanderfolgenden 2n Teilerausgänge
miteinander verknüpft sind, welche Frequenzen 2k.f liefern, wobei k = 0, 1, 2, .....
bis 2n-1 ist.
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Die n Teilerausgänge sind dabei zweckmäßigerweise durch ein U;4D-
oder NOR-Glied mit n Eingängen verknüpft.
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Im Hinblick auf die Preise integrierter Schaltkreise ist es vielfach
zweckmäßig, diese UND- oder NOR-Glieder mit n Bingängen durch entsprechende Kombinationen
von NAND- und NOR-Gliedern mit je zwei Eingängen zu ersetzen.
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So sind zur Brzeubung einer Rechteckschwingung mit der Frequenz f
und einer Impulsdauer von 1/8 die drei hierfür benötigten Teilerausgarlge, an welchen
die frequenzen 4f, 2f und f abgreifbar sind, in zweckmäßiger Weise so miteinander
verknüpft, daß die Teilerausgänge, an welchen die Freauenzen 4f und 2f zur Verfügung
stehen, mit den zwei Eingängen eines NAND-Gliedes verbunden sind, dessen Ausgang
mit dem Teilerausgang, an dem die Frequenz f abgreifbar ist,
auf
die zwei Eingänge eines ItTOR-Gliedes führen, an dessen Ausgang die gewünschte Hechteckschwingung
abgreifbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung können zur Erzeugung einer Rechteckschwingung
mit der Frequenz f und einerImpulsdauer von 1/16 die vier hierfür benötigten Teilerausgänge,
an welchen die Frequenzen 8f, 4f, 2f,und f abgreifbar sind, so miteinander verknüpft
werden, daß die Teilerausgänge, an welchen die Frequenzen 8f und 4f zur Verfügung
stehen, mit den zwei Eingängen eines ersten NAUD-Gliedes verbunden sind, daß die
Teilerausgänge, an welchen die Frequenzen 2f und f zur Verfügung stehen, mit den
zwei Eingängen eines zweiten NAND-Gliedes verbunden sind und daß die Ausgänge des
ersten und zweiten NAND-Gliedes auf die zwei Eingänge eines llOR-Gliedes führen,
an dessen Ausgang die gewünschte Rechteckschwingung abgreifbar ist.
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Für jede Oktavteilerkaskade ist in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßigerweise
ein Hauptoszillator vorgesehen, der Schwingungen mit einer auf die Bauart der ersten
Teilerstufe abgestimmten Kurvenform erzeugt.
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Zur Ansteuerung von z.ß. Integrierten Schaltkreisen in TTL-Technik
ist dabei zu beachten, daß eine genügend steile Abfallflanke und Spannungspegel
von OV und 5V zur Unterscheidung der logischen Zustände 0 und 1 vorhanden sind.
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Wünscht man in der obersten vorhandenen Oktave des Generators obertonarme
Schwingungen, wird erfindungsgemäß jede Kaskade so aufgebaut sein, daß ein Rechteckschwingungen
mit einer Impulsdauer von 50cA erzeugender Hauptoszillator vorgesehen ist.
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Für eine gute Verschmelzung der Teiltöne kann es von Vorteil sein,
obertonreiche Grundtöne mit weniger obertonreichen Obertönen zu verknüpfen. Dies
kann ohne große Mehrkosten erreicht werden, indem die Ausgänge der Teilerstufen
unmittelbar als weitere Kaskadenausgänge herausgeführt werden.
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Es kann erfindungsgemäß vorteilhaft sein, daß die Ausgänge der Verknüpfungsglieder
unmittelbar als weitere Kaskadenausgänge herausgeführt sind.
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In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch mit weiteren erfindungsgemäßen
Einzelheiten dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 eine GegenbersteIlung der Spektren von fünf ausgewählten
Schwingungsformen.
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Fig0 2a eine Schaltung zur Erzeugung einer Rechteckschwingung mit
einer Impulsdauer von 1/8, Fig. 2b das Impulsdiagramm zu Fig. 2a, Fig0 3a eine Schaltung
zur Erzeugung einer Rechteckschwingung mit einer Impulsdauer von 1/16, Fig. 3b das
Impulsdiagramm zu Pig, 3a und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.
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In Fig. 1 sind die Frequenzspektren von fünf ausgewählten Schwingungsformen
einander gegenübergestellt. Diese fünf Schwingungsformen sind:
a
Sägezahnschwingung b Rechteckschwingung mit einer Impulsdauer von 1/2 c Rechteckschwingung
mit einer Impulsdauer von 1/4 d Rechteckschwingung mit einer Impulsdauer von 1/8
e Rechteckschwingung mit einer Imoulsdauer von 1/16 In Abszissenrichtung sind die
Frequenzen des Grundtones 1 und der folgenden neun Obertöne 2 bis 10 aufgetragen,
in Ordinatenrichtung die Amplituden des Grundtones und der Obertöne, bezogen auf
die Amplitude des Grundtones Für jede Harmonische sind von links nach rechts die
Amplituden der unter a bis e genannten Schwingungsformen dargestellt.
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Die konstanten Glieder bleiben dabei unberücksichtigt. Daraus ist
ersichtlich, daß der Obertongehalt bei itechteckschwingungen mit abnehmender Impulsdauer
stark zunimmt.
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Es ist bekannt, daß Rechteckschwingungen mit abnehmender Impulsdauer
obertonreicher werden.
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Der Ausdruck für die 'ourier-Heihe einer Rechteckschwingung lautet:
Im Bereich von 0° bis 450 ist sin p proportional p. Für alle Obertöne bis zu np=45°
ergeben sich also nahezu gleichhohe Amplituden, welche erst über 45 zurückgehen.
Je geringer also die Impulsdauer 2p wird, umso größer werden die Amplituden der
Obertöne.
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In Fig4 2a ist schematisch die Gewinnung einer Rechteckschwingung
mit einer Impulsdauer von 1/S dargestellt. In einer dreistufigen Teilerkette, bestehend
us den drei ldistabilen Kipstafen 11, 12 und 13 wird eine an de; Eingang
der
ersten Stufe 11 gelegte Frequenz 8f jeweils im Verhältnis 2 : 1 geteilt. An den
Ausgängen der Bistabilen Kippstufen entstehen die Rechteckschwingungen A1 B und
D, wie sie im dazugehörigen Impulsdiagramm in Fig0 2b dargestellt sind. Die Abgänge
der Kippstufen 11 und 12 führen auf die Eingänge eines -s4A;TD-Gliedes 14, an dessen
Ausgang die Schwingungsform C entsteht, eine Rechteckschwingung mit einer Impulsdauer
von 3/4.
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Der Ausgang des NAIJD-Gliedes 14 sowie der Ausgang. der Kippstufe
13 sind mit den eingängen eines NOR-Gliedes 15 verbunden, an dessen Ausgang die
gewünschte Rechteckschwingung E mit der Frequenz f und einer Impulsdauer von 1/8
entsteht, In Fig0 3a ist die Gewinnung einer Rechteckschwingung mit einer Impulsdauer
von 1/16 dargestellt. In einer vierstufigen Teilerkette, bestehend aus den vier
Bistabilen Kippstufen 16 bis 19 wid eine an den Eingang der ersten Stufe 16 gelegte
Frequenz 16f jeweils im Verhältnis 2 : 1 geteilt, An den Ausgängen der Bistabilen
Kippstufen entstehen die Rechteckschwingungen A, B, D und E, wie sie im dazugehörigen
Impulsdiagramm in Fig. 3b dargestellt sind. Die Ausgänge der Kippstufen 16 und 17
führen auf die Eingänge eines NAND-Gliedes 20, die Ausgänge der Kippstufen 18 und
19 führen auf die Eingänge eines NAND-Gliedes 21. Die Ausgänge der beiden NAND-Glieder
20 und 21 sind mit den Eingängen eines NOR-Gliedes 22 verbunden. Am Ausgang des
NAND-Gliedes 20 erscheint die Schwingungsform C (Frequenz 4f, Impulsdauer 3/4) und
am Ausgang des NAND-Gliedes 21 die Schwingungsform F (Frequenz f, Impulsdauer 3/4).
Diese beiden Schwingungen ergeben, über das NOR-Glied 22, an dessen Ausgang die
gewünschte Schwingungsform G, eine liechteckschwingung der Frequenz f mit einer
Impulsdauer von 1/16.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform nach der Erfindung als Beispiel
schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei um
eine Oktavteilerkaskade
z*B. für die Teiltöne C mit insgesamt neun Oktaven, an deren sechs Ausgängen 27
für die Teiltöne c3 bis C Rechteckschwingungen mit einer Impulsdauer von 1/16 abgreifbar
sind. Insgesamt sind ein Hauptoszillator 23 und acht Teilerstufen 24 vorhanden,
deren Ausgänge 28 mit Ausnahme des letzten Teilers als Obertonausgänge herausgeführt
sind.
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Die Teilerausgänge sind gemäß Fig. 3a durch NAND-Glieder 25 und NOR-Glieder
26 so miteinander verknüpft, daß Rechteckschwingungen mit einer Implusdauer von
1/16 entstehen.
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Es stehen also sechs Grundtöne c³ bis C und acht Obertöne c6 bis C
zur Verfügung, so daß alle möglichen Fußlagen bis 1 Fuß ohne Repetition gebildet
werden können, was selbst für Orgeln mit drei Mannualen und Pedal mehr als ausreicht.
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Zwölf derartige Oktavteilerkaskaden mit Hauptoszillatoren für alle
Halbtöne von c6 bis h6 bilden den gesamten Orgelgenerator.