DE2334422A1

DE2334422A1 - Vibratoeinrichtung fuer musikinstrumente

Info

Publication number: DE2334422A1
Application number: DE19732334422
Authority: DE
Inventors: Robert G Mathias
Original assignee: Hammond Corp
Current assignee: Marmon Co
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1974-01-24
Also published as: BR7304929D0; GB1412556A; NL7309223A; AU5752373A; ZA734352B; CA963704A; US3737555A; IT998193B; JPS4945712A; JPS5235536B2

Description

H 594

3. Juli 1973

Hammond Corporation, Deerfield / Illinois (V.St.v.A.)

Vibratoeinrichtung für Musikinstrumente

Gegenstand der Erfindung ist ein Vibratosystem oder ein ähnliches System für Musikinstrumente mit auf einander folgenden Phasenverschiebungsstufen, wobei der Grad der Phasenverschiebung veränderlich ist in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung, die mit der Vibratofrequenz moduliert wird· In jeder Phasenverschiebungsstufe wird ein Feldeffekttransistor als regelbares Widerstandselement benutzt, und ferner wird die Schwierigkeit vermieden, die bei solchen Schaltungen als Zwischenmodulationsverzerrung normalerweise auftritt·

Die Erfindung betrifft Vibratoeinrichtungen für elektrische Musikinstrumente, bei denen die Frequenz periodisch verändert wird durch periodische Phasenverschiebung des elektrischen Musiksignals in Abhängigkeit von einer Frequenz von ungsfähr 6 Hs, mit der die Spannungs periodisch verändert wird.

Ein Vibrato, das aus einer periodischen Veränderung der Frequenz des musikalischen Signals eines elektrischen kusikinstru-

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mentes in der Größenordnung von 6 Hz besteht, wird im allgemeinen erreicht durch eine periodische Phasenverschiebung bei dem Signal. Um einen Celesta-Effekt zu erreichen, werden solche Systeme gelegentlich auch mit einer niedrigen Periode in der Größenordnung von 1 bis 172 Hz verwendet. Die Erfindung iet auch für diesen Zweck geeignet, der gleichfalls von Vibratoeinriohtungen erfüllt werden kann. Typische Verfahren zum Bewirken einer solchen Phasenverschiebung bilden den Gegenstand der US-Patentschriften Nr. 3 258 519 und 3 325 581 (Alan O.Young). Bei einer der Schaltungen nach der Fig·3 der US-Patentschrift 3 258 519 wird durch Verändern des Widerstandes in einem Schenkel einer Phasenspalterschaltung die Phase des Signals progressiv verschoben in Abhängigkeit von dem Momentanwert des Widerstandes. Nach. dieser Patentschrift bestehen die Widerstände aus lichtempfindlichen Widerständen, wobei deren Widerstandswert periodisch verändert wird durch Beeinflussung des auf diese Widerstände fallenden Lichtes und dessen Intensität. Ein ähnliches System, bei dem auf den Stromfluss ansprechende Reaktoren verwendet werden, bildet den Gegenstand der US-Patentschrift Nr. 3 256 380 (Meinema u. a·)·

Die erfindungsgemäße Einrichtung stellt gegenüber dem Bekannten insofern einen Fortschritt und eine Verbesserung dar, als die Schaltung mit Transistoren bestückt ist, und dass als Regelwiderstandeelemente Feldeffekttransistoren benutzt werden· Diese Transistoren treten allgemein an die Stelle der - lichtempfindlichen Widerstände, der Lichtquelle und dee motorisch angetriebenen Rotationsverschlusses nach den Young-Patenten oder des ziemlich teuren Reaktorsystems nach dem üeinema-Patent.

Die Verwendung von Feldeffekttransistoren anstelle der lichtempfindlichen Widerstände als Regelwiderstände ist außerordentlich vorteilhaft. Abgesehen von der niedrigeren Kosten und der größeren Einfachheit einer solchen Einrichtung weist diese noch den Vorzug auf, dass eine im wesentlichen sofortige Ansprache der Wideretande änderung mit der Änderung der Steuerspannung erfolgt, und dass der Hystereeiseffekt vermiden wird, der bei lichtempfindlichen Widerständen auftritt. Ferner besteht eine größere Gleichförmigkeit bei den Schaltungselementen, welcher

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Umstand von ziemlich kritischer Bedeutung ist.

Lichtempfindliche Widerstände sprechen ziemlich langsam auf Änderungen der Intensität des auf die Widerstände fallenden Lichtes an. Bei großen Widerstandsänderungen können zum Stabilisieren Zeiten von V1O bis zu 1 Sekunde erfordern. Bei einer Erhöhung der Beleuchtung solcher Widerstände sinkt der Widerstandswert rascher ab als dieser bei einer Verminderung der Belichtung ansteigt· Die Folge dieser langsamen Ansprache und des Hysteresiseffektes besteht darin, dass es schwierig ist, Bauelemente zu erhalten oder eine Schaltung mit lichtempfindlichen Widerständen einzurichten, die bei einem Vibrator mit einer Frequenz von ungefähr 6 Hz voll anspricht, und die eine sinusförmige Kennlinie Phasenverschiebung in bezug auf die Zeit aufweist·

Die für einen geeigneten Vibratoeffekt erforderliche Phasenverschiebung ist ziemlich groß, besonders bei höheren Tonfrequenzen, und beträgt 360° oder mehr· In der Praxis soll jede Stufe eine Phasenverschiebung von nicht mehr als 90 - 100 bewirken· Es ist daher eine mehrstufige Phasenverschiebung erforderlich, wobei es wichtig ist, dass in allen Stufen eine Phasenverschiebung in dem gleichen Ausmaß erfolgt. Bei Verwendung von Feldeffekttransistoren stellt dies keine Schwierigkeit dar, da diese Schaltungselemente einen hohen Grad von Gleichförmigkeit aufweisen. Dagegen sind lichtempfindliche Widerstände in dieser Hinsicht ziemlich unvollkommen, so dass die Einheiten entweder optisch oder mit Hilfe von Widerständen abgeglichen werden müssen« Dies ist eine ziemlich kostspielige Angelegenheit, und eine vollständige Abstimmung der verschiedenen Stufen auf einander wird selten vollständig erreicht.

Die Einrichtung nach dem Meinema-Patent mit regelbaren Blindwiderständen weist an sich Schwierigkeiten auf, auf die hier nicht weiter eingegangen zu werden braucht, und allein in bezug auf die Kosten weist die Einrichtung nach der Erfindung offensichtlich Vorzüge auf, so dass diese für den beabsichtigten Zweck besser geeignet erscheint.

Bei der Verwendung von Feldeffekttransistoren für diesen Zweck besteht eine erhebliche, jedoch andere Schwierigkeit

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insofern, als diese Transistoren von sich aus zu einer Zwischenmodulationsverzerrung führen, wobei eine Überlagerung mit Summen- und Differenzfrequenzen erfolgt, beispielsweise zwischen dem Musiksignal und der Modulationsfrequenz am Ausgang.

Zum Überwinden dieser Schwierigkeit sieht die Erfindung eine billige Schaltung vor. Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben· In der beiliegenden Zeichnung ist die

Fig«1 eine Übersicht über eine vierstufige Phasenverschiebungsvibratοschaltung nach der Erfindung und die

Fig.2 eine Übersicht über eine der Phasenverschiebungsstufen, die in der Schaltung nach der Fig«1 sämtlich in der gleichen Weise eingerichtet sind.

Nach der Darstellung in der Fig«1 tritt das vom Musikinstrument erzeugte Musiksignal in die Schaltung an der Eingangsklemme 10 über ein Netzwerk mit den Widerständen 12 und 14 ein. Dieses Netzwerk kann den Isolationserfordernissen und dem Signal entsprechend eingerichtet werden, das dem Phasenverschiebungsteil der Schaltung zugeführt wird· Die vier einander nachgeschalteten Phasenverschiebungsstufen sind mit 18, 20, 22 und bezeichnet. Jede dieser Stufen steht über einen Leiter 26 mit einer Leitung 28 in Verbindung, an der eine Spannung von ungefähr 5 Volt liegt. Zum Vereinfachen der Beschreibung ist der Signalkanal, d.h., der die Phasenverschiebungsstufen mit einander verbindende Leiter, mit 30 bezeichnet sowie der von den letzten Stufe abgehende Leiter, der zu einem Verstärker 32 führt, dem von der Leitung 28 gleichfalls eine Spannung von + 5 Volt zugeführt wird. Die Ausgangsklemme 34 des Verstärkers steht normalerweise mit der Ausgangsschaltung des Musikinstrumentes in Verbindung. Die Ausgangsschaltung und der Verstärker können aus der herkömmlichen Ausführung bestehen und bilden keinen Teil der Erfindung. Die Phasenverschiebungstufen 18, 20, 22 und 24 sowie der Verstärker 32 stehen über einen Leiter 36 mit der Erdung in

Verbindung. Ein Oszillator, der aus einer herkömmlichen Ausführung bestehen kann führt einem Leiter 40 mit einer veränderlichen Spannung ein Modulationssignal mit einer Vibratofrequenz zu, welcher Leiter 40 über die Leiter 42 mit den Pha se river Schiebung s-

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stufen 18, 20, 22 und 24 verbunden ist, die sämtlich, einander gleich eingerichtet sind und den in der Fig«2 dargestellten Aufbau aufweisen.

Obwohl nur vier Phasenverschiebungsstufen dargestellt sind, so können jedoch je nach dem Grad der gewünschten Phasenverschiebung auch weniger oder mehr Stufen vorgesehen werden. Der Eingangsleiter 30 steht über einen Kondensator 44 mit der Basiselektrode eines Transistors 46 sowie über einen Kondensator 48 und über einen diesem nachgeschalteten Widerstand 50 mit der Erdung in Verbindung. Die Kollektorelektrode des Transistors 46 steht mit der Kollektorelektrode eines zweiten Transistors 52 und über einen Widerstand 54- mit der Leitung 28 in Verbindung, an der eine Spannung von + 5 Volt liegt. Über einen zwischen die Kollektorelektrode und die Basiselektrode des Transistors 46 geschalteten Widerstand 55 wird eine Vorspannung zugeführt. Die Emitterelektrode des Transistors 46 steht mit der Basiselektrode des Transistors 52 und deren Emitterelektrode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 48 und dem Widerstand 50 in Verbindung. Die Kollektorelektrode des Transistors 52 weist über den Kondensator 56 eine Verbindung mit dem Ausgang 30 der Stufe auf. Die Emitterelektrode des Transistors 52 ist mit der Sourceelektrode eines Feldeffekttransistors 58 verbunden, deren Drainelektrode mit dem Ausgangsleiter 30 verbunden ist. Der vom Vibratooszillator abgehende Leiter 40 steht über einen Abzweigleiter 42 und einen Widerstand 60 mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 58 in Verbindung, die ferner über einen Kondensator 62 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen zwei einander nachgeschalteten Widerständen 64 und 66 verbunden ist. Das entgegengesetzte Ende des Widerstandes 64 ist mit der Sourceelektrode des Feldeffekttransistors 58 verbunden, während das entgegengesetzte Ende des Widerstandes 66 mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors verbunden ist. Je nach der Transistortype erhält die Steuerelektrode entweder eine negative oder eine positive Vorspannung über einen Widerstand 67 und ein Potentiometer 69t äas Bit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden ist, die durch die Klemme 71 dargestellt ist.

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Bei einem Phasenspaltungsverstärker dieser Art, bei dem eine Ausgangsphase über einen Kondensator mit einem gemeinsamen Ausgang und die andere Phase über einen Regelwiderstand mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden ist, wird die Phase des Signals verschoben, wenn der Widerstandswert des Widerstandselementes verändert wird, und zwar aus dem folgenden Grunde. Die an der Kollektor- und der Emitterelektrode liegenden Signalspannungen weisen eine Phasenverschiebung von im wesentlichen 180 auf, wobei die Phase des Einganges für die folgende Stufe von der Reaktanz des Kondensatorelementes 56 bei einer bestimmten Frequenz und von dem Widerstand des über den Regelwiderstand führenden Zweiges abhängt. Unter der Annahme, dass der Wert des Kondensators unverändert bleibt, hängt das Ausmaß der Phasenverschiebung

vom Widerstandswert im Regelwiderstandszweig ab· Dies ist ein an sioh bekannter Vorgang und wird in den bereits genannten Patentschriften beschrieben.

Der Feldeffekttransistor 58 wirkt als Regelwiderstand, und wenn dessen Widerstandswert allein von der komentanspannung am Steuergitter abhängen würde, die aus der Summe des komentanausganges des Oszillators 38 und der Gleichstromvorspannung bestehen würde, so würde die Phasenverschiebung der Schaltung periodisch mit der Vibratofrequenz erfolgen, so dass im Idealfalle keine Schwierigkeiten beständen.

Für diesen Verwendungszweck hängt unglücklicherweise der Widerstand des Feldeffekttransistors nicht allein von der dem Steuergitter zugeführten Spannung ab sondern vielmehr von der Differenz zwischen der am Steuergitter liegenden Spannung und den Spannungen an der Source- und an der Drainelektrode. Da die Spannungen an diesen beiden Elektroden steigen und fallen als Folge der Zuführung des Musiksignals und der Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors, so wird daher auch dessen Wider stands wert beeinflusst. Hierbei wird in die Musiksignale eine harmonische Verzerrung eingeführt, wenn die Vibratooszillatorspannung zwischen den hohen und niedrigen Spitzenwerten liegt. Diese Verzerrung des Signals kann nicht gedultet werden, wenn sie einen bemerkbaren Pegel erreicht.

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Zum Beseitigen dieser Schwierigkeit besteht die eine Möglichkeit darin, der Steuerelektrode eine veränderliche Modulationsspannung zuzuführen, die im Vergleich zu der an der Sourceelektrode liegenden Spannung hoch ist. Unter diesen Umständen wird die Verzerrung geringer. Hierbei besteht Jedoch die Schwierigkeit, dass das Signal auf den Rauschpegel der Einrichtung und unter einen zulässigen Wert geschwächt wird. Zum Beseitigen der genannten Schwierigkeiten sieht die Erfindung vor, die einander gleichen Widerstände 64 und 66 mit der Source- und der Drainelektrode zu verbinden, so dass der Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen den Durchschnittswert der Imomentanspannungen an der Source- und der Drainelektrode aufweist, welcher Verbindungspunkt außerdem über den Kondensator 62 mit der Steuerelektrode verbunden wird· Die durchschnittliche Momentanspannung zwischen der Source- und der Drainelektrode wird daher zum Steuergitter geleitet zusammen mit dem Modulationssignal, wobei die Einwirkung des Musiksignals auf den effektiven Widerstand des Feldeffekttransistors weitgehend ausgeschaltet wird, so dass der Widerstand des Feldeffekttransistors genauer nur der Modulationsspannung entspricht. Auf diese Weise wird die Verzerrung weitgehend beseitigt, so dass der Sourceelektrode ein stärkeres Musiksignal zugeführt werden kann, als anderenfalls möglich wäre.

Als repräsentave Werte für die Konstanten in der dargestellten Schaltung werden angeführt für den

Kondensator 44 0,01 Mikrofarad

Kondensator 56 0,0047 "

Kondensator 62 0,0022 "

Kondensator 48 220 Pikofarad

Widerstand 50, 54 1 Kiloohm

Widerstand 60, 67 470 "

Widerstand 64, 66 12 "

Widerstand 55 4,7 Magohm

Wie bereits ausgeführt, können alle Phasenschieberstufen 18, 20, 22 und 24 aus der in der Fig.2 dargestellten Ausführung bestehen. Die gesamte Phasenverschiebung ist daher die Summe aller einzelnen Phasenverschiebungen. Ein Vorzug dieser Schaltung

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1st darin zu sehen, dass mit Ausnahme des Signalkanals alle Verbindungen zu den einzelnen Stufen parallel verlaufen unter Einschluss der Verbindungen zum Vibratofrequenzoszillator 38· Dies ist besonders wichtig, wenn die Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt werden soll, da in diesem Falle die notwendigen Anschlüsse auf die Anzahl der für eine einzelne Stufe erforderlichen Anschlüsse vermindert werden können.

Obwohl nach der Beschreibung das Modulationssignal von einem Vibrato-Oszillator erzeugt wird, der mit einer Frequenz von ungefähr 6 Hz arbeitet, so kann es für einige Effekte erwünscht sein, eine mehr zufälligere oder eine andere Art von Modulationsspannung zu benutzen. Eine solche Abwandlung beeinflusst natürlich nicht die Modulations schaltung nach der Erfindung.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Phasenverschiebungsvibratosystem für ein elektrisches Musiksignal, gekennzeichnet durch einen Signaleingang, durch einen Signalausgang, durch eine Quelle einer Modulationsspannung, deren Frequenz unterhalb des Tonbereiches liegt, durch Mittel, die eine oder mehrere, einander nachgeschaltete Phasenverschiebungsstufen zwischen dem Eingang und dem Ausgang bilden, wobei jede Stufe aufweist einen Verstärker mit einem Eingang und mit zwei gegenphasigen Ausgängen, Parallelzweige, die die gegenphasigen Ausgänge

mit einem gemeinsamen Ausgang für die Stufe verbinden, wobei der eine Zweig einen Serienkondensator enthält, während der andere Zweig einen Feldeffekttransistor mit einer Sourceelektrode, einer Drainelektrode und einer Steuerelektrode enthält, durch eine Verbindung vom Verstärker zur Sourceelektrode des Feldeffekttransistors, durch eine Verbindung von der Drainelektrode zum gemeinsamen Ausgang für die Stufe, durch eine Verbindung von der Modulationsspannungsquelle zur Steuerelektrode, durch zwei einander gleiche und in Serie geschaltete Widerstände zwischen der Source- und der Drainelektrode des Feldeffekttransistors, und durch Schaltungsmittel, die einen Serienkondensator einschließen, der zwischen den gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände und die Steuerelektrode geschaltet ist.

2· Von einer veränderbaren Spannung gesteuertes Phasenverschiebungssystem für ein elektrisches Lusiksignal, gekennzeichnet durch einen Verstärker mit einem Signaleingang und mit zwei gegenphasigen Ausgängen, durch zwei Schaltungen, die die gegenphasigen Verstärkerausgänge mit einem gemeinsamen Ausgang verbinden, durch einen Feldeffekttransistor mit einer Source_T einer Drain- und mit einer Steuerelektrode, wobei die eine der genannten Schaltungen eine vom Verstärker zur Sourceelektrode des Transistors führende

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Verbindung aufweist, während die- andere Schaltung eine vom Verstärker über -einen Kondensator zum gemeinsamen Ausgang führende Verbindung aufweist, durch eine Quelle einer veränderbaren kodulationsspannung, durch eine von der kodulationsspannungsquelle zur Steuerelektrode führende Verbindung, durch Schaltungsmittel zum Erhalten des Durchschnittswertes der Momentanspannungen an der Source- und der Drainelektrode, und durch einen Serienkondensator einschließende Littel, mit denen der Durchschnittswert der genannten Spannungen der Steuerelektrode zugeführt wird.

System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet', dass die Schaltungsmittel zum Erhalten des Durchschnittswertes der Momentanspannungen aus zwei einander gleichen und einander nachgeschalteten Widerständen bestehen, die zwischen die Source- und die Drainelektrode des Transistors geschaltet sind, wobei am gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Widerständen eine Azapfung vorgesehen ist.

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