DE2529234A1

DE2529234A1 - Elektronisches musikinstrument mit einer tastatur

Info

Publication number: DE2529234A1
Application number: DE19752529234
Authority: DE
Inventors: Willian Varastad Machanian; Robert Ray Williams
Original assignee: Wurlitzer Co
Current assignee: Wurlitzer Co
Priority date: 1974-07-08
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1976-01-29
Also published as: IT1040877B; GB1511339A; US3935783A; GB1511338A; JPS5130718A; CA1040904A

Description

THE WURLITZER COMPANY, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, 105 West Adams Street, CHICAGO, Illinois 60603 (V.St.A.)

Elektronisches Musikinstrument mit einer Tastatur

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Musikinstrumente, insbesondere elektronische Pianos. Zur Erfindung gehören Einrichtungen zur Veränderung der Amplitude der Piano-Charakteristik-Hüllkurve bezüglich der relativen Härte, mit der eine Pianotaste angeschlagen wird, und zum Zusammenmischen einer Grundfrequenz und ausgewählten Komponenten von Harmonischen dieser Frequenz, um Musiktöne zu erzeugen, welche weitgehend einem Pianoklang entsprechen.

Bisher wurden von den Herstellern elektronischer Musikinstrumente, inbesondere solcher vom elektronischen Pianotyp_xTastatur-Anordnungen hergestellt, die im wesentlichen elektronischer Natur waren und weder Hammer noch Saiten besitzen, jedoch auf elektronischem Wege den Klang einer angeschlagenen echten Pianosaite reproduzieren. Zu den

KG/ei

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Problemen bei der Herstellung elektronischer Piano-Tastaturen gehört die Aufgabe, bezüglich Anstieg, Spitze und Rückflanke die richtige Charakteristik-Kurve eines Pianoklanges zu erzeugen. Dieses wurde in der Vergangenheit ziemlich annähernd erreicht, durch Kondensatorladeschaltungen, welche in Abhängigkeit von Kondensator-Endladeschaltungen so arbeiten, daß die Lade- und Entladevorgänge von Kondensatoren die Vorder- und Rückflanken-Kurvencharakteristiken einer Exponential-Kurve erzeugen. Diese Art von elektronischer Pianotastatur ist bestenfalls eine Annäherung an einen richtigen Pianosaitenklang.

Ein Problem bei elektronischen Pianos besteht darin, daß zwar eine dichte Annäherung an die tatsächlichen Anstiegs-, Spitzen— und Rückflanken-Charakteristiken des Pianoklanges durch Kondensator-Entlade- und Ladeschaltungen erzielt werden, daß jedoch diese Schaltungen nicht in der Lage sind, Veränderungen von Harmonischen der Grundfrequenz der Pianosaite im Verlauf der Pianoklang-Charakteristikkurve zu kompensieren. Aus diesem Grunde bleibt der so erzeugte Klang immer ein falsches Abbild vom echten Pianoklang.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektronisches Musikinstrument der genannten Art so zu verbessern, daß eine bessere Wiedergabe des Pianoklanges erzielt wird und eine schnelle Tastenbetätigung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des anliegenden ersten Patentanspruchs gelöst. Kurz zusammengefaßt sind die im Rahmen der Erfindung benutzten elektronischen Schaltungen besonders für die Verwendung zusammen mit Piano-Tastaturschaltungen entwickelt, und

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sie enthalten Schaltungen zur Erzeugung von Torsignalen in Abhängigkeit von der Betätigung zugeordneter Tasten auf der Tastatur. Die Torsignale haben eine Wellenform, welche der Charakteristik von Pianoklangkurven im Nullausgang, im Anstieg, im Spitzenbereich und in der Abstiegsflanke entsprechen. Die in der Beschreibung und in den Ansprüche verwendete Bezeichnung "Pianoklang" soll aussagen, daß es sich um eine Hüllkurvencharakteristik handelt, welche die Grundfrequenz und Harmonische der betreffenden Saite oder des betreffenden Pianotones und die zusätzlichen Frequenzen und Harmonischen enthält. Vor dem Anschlag einer Picnotaste befindet sich der PianoVlann im Null zustand. Beim ersten Anschlag der Pianotaste steigt der Pianoklang im Zuge einer Anstiegs— charakteristik-Kurve scharf an, geht in einen Spitzenbereich über, um schließlich im Verlauf einer Abklingkurve bzw. Abstiegsflanke umzukehren, welche eine langsamere Abstiegsrate hat als die Anstiegsseite. Anstiegs- und Abstiegscharakteristik sind exponentiell, aber mit wesentlich unterschiedlichem Zeitverlauf. Diese Art von Pianoklang—Charakteristik ist wichtig für die elektronische Reproduktion solcher Tonqualitäten, wie sie durch mechanische Piano-Hammer- und Saitenmechanismen erzeugt werden.

Die erfindungsgemäßen neuen Schaltungsmittel haben den Vorteil, daß sie Mittel zur Variation des Anteils an Harmonischen im Pianoklang als Funktion von Zeit und Amplitude im Verlauf der Pianoklang-Charakteristikkurve besitzen. Damit wird eine Amplitude im Spitzenabschnitt der Pianoklang-Charakteristikkurve erzeugt, welche der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder relativen Härte entspricht, mit der eine Taste betätigt wird.

Ein erfindungsgemäß benutzter Audiosignalgenerator erzeugt

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Grund-Rechteckwellenfrequenzen für die betreffenden angeschlagenen Tasten und außerdem verschiedene der betreffenden Grund-Rechteckwellenfrequenz zugeordnete Harmonische. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die zweite und vierte Harmonische erzeugt, ebenfalls als Rechteckwellen, und mit der Grundfrequenz nur an vorbestimmten Zeitpunkten im Verlauf der Klangcharakteristikkurve gemischt. Durch ein derartiges selektives Mischen der Harmonischen mit der Grundfrequenz erzielt man eine besonders klangechte Pianoklangcharakteristik auf dem Wege über eine elektronische Pianoschaltung.

Zum selektiven Mischen der Harmonischen mit der Grundfrequenz sind Torschaltungen zwischen dem Audiosignalgenerator und einem Audioverstärker angeschlossen. Diese Torschaltung spricht an auf das Torsignal und besitzt ausgewählte Abschnitte, die nur bei vorbestimmten Minimalpegeln des Torsignals in Tätigkeit gesetzt werden, so daß das Mischen der Harmonischen nur bei dies.-η Pegeln auftritt, also folglich nur bei vorbestimmten Zeitpunkten im Verlauf der Charakteristikkurve.

Bei einer Schaltungskonfiguration der zeichnungsgemäß dargestellten Ausführungen ist die Pianotastenschaltung in der Lage, unmittelbar nach der Freigabe der Pianotaste schnell zu verlöschen, so daß die Pianotaste in rascher Folge wieder betätigt werden kann. Ferner enthält die Schaltung eine neuartige Transistor-Vorspannungskonfiguration, welche es ermöglicht, daß ein Transistor in der Schaltung als Z-Diode arbeitet, so daß die Abkling-Charakteristikkurve des Pianoklanges sich verändert in Abhängigkeit von der Amplitude der Kurve.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung

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können der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer Zeichnung entnommen werden. Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild für ein

nach den Prinzipien der Erfindung aufgebautes elektronisches Piano,

Fig. 2 eine Schaltung zum Heraussieben von HF

und zum Empfang gemischter Audio-Signale, welche Grundfrequenzen und Harmonische enthalten, um integrierte Audiosignale zu erzeugen,

Fig. 3 eine graphische Darstellung von Signalen,

die an der Schaltung von Fig. 2 während des Anstiegs einer Hüllcharakteristikkurve entstehen,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zum schnellen Verlöschen des Abstiegscharakteristikabschnitts der Kurve, nachdem die Pianotaste freigegeben wurde, so daß eine schnelle Wiederbetätigung dieser Pianotaste möglich ist,

Fig. 5 eine Ausgangscharakteristikkurve für die Schaltung von Fig. 4,

Fig. 6 eine Pianoklang-Charakteristik-Hüllkurve mit Nullausgang, Anstieg, Spitzenbereich und Abstiegscharakteristik in Verbindung mit einer zeitlichen Amplitudenänderung,

Fig. 7 eine weitere Darstellung einer Pianoklang-Charakteristik-Hüllkurve zur Illustration von mit der Erfindung erzielbaren Verbesserungen,

Fig. 9, verschiedene Aspekte der Torschaltung, wobei und 10 rechtzeitig die Ausgangsimpulssignale dargestellt sind, welche zur Erzeugung von Pianotönen nach den Prinzipien der Erfindung benutzt werden, und

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-G-

Fig« 11 eine G^run(3-Rechteckwelle und harmonische Rechteckwellensignale sowie den Additionsvorgang während verschiedener Phasen der Charakteristikkurve.

Das in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte, nach den Prinzipien der Erfindung aufgebaute elektronische Tasten-Musikinstrument trägt die umfassende Bezugszahl 10 und enthält elektronische Einrichtungen zur hörbaren Erzeugung einer Grundfrequenz und einer Anzahl von Harmonischen, wenn eine Taste der Tastatur angeschlagen wird. Damit gekoppelte Schaltungseinrichtungen 12 erzeugen eine tastengeschwindigkeitsabhängige Hüllkurve zur Steuerung der Amplitude der Grundfrequenz in Abhängigkeit von der relativen Anschlaggeschwindigkeit der Pianotaste, um auf diese Weise einen Pianoklang weitgehend zu simulieren. Die in Fig. 6 dargestellte Charakteristik-Kurve enthält den Null-Abschnitt 13, den Anstieg 14, den Scheitel 15 und den Abstieg 16 einer Pianoklang-Charakteristik-Hüllkurve. Gemäß Fig. 1 ist ein Amplitudenbegrenzer 17 an die Torschaltungsabschnitte der elektronischen Einrichtungen 11 angeschlossen und steuert den Grad der Mischung der harmonischen Signale mit dem der Grundfrequenz. Durch Steuerung der Amplitude der mit den Grundfrequenzsignalen gemischten Harmonischen-Signale im Verlauf der Charakteristik-Hüllkurve läßt sich auf elektronischem Wege ein präziserer Pianoklang erzeugen.

Der Mischvorgang der Harmonischen-Signale mit den Grundfrequenzen erfolgt nur bei einer Amplitude, die gleich oder größer ist als eine an der Kurve von. Fig. 6 dargestellte vörbestimmte Minimalamplitude. Zu einem Zeitpunkt t erklingt kein Pianosignal. Zwischen t~ und t. erfolgt jedoch ein scharfer Anstieg 14 der Charakteristikkurve bis zu einem Pegel 18, an dessen Verlauf während dieses

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Zeitintervalls nur die Grund-Rechteckwellenfrequenz auftritt. Zwischen den Zeitpunkten t _und t wird das erste der harmonischen Signale, welches die zweite harmonische Rechteckwelle der Grundfrequenz sein kann, mit der Grundfrequenz gemischt und ändert die Pianoklang-Charakteristik des erzeugten Sounds. Bei t und bis zu einem Zeitpunkt t wird das zweite der harmonischen Signale, Weiches die vierte harmonische Rechteckwelle der Grundfrequenz sein kann, zur Mischung mit der Grundfrequenz zugelassen, wie durch die Amplitudenlinie 19 angedeutet ist. Die Bezugszahlen 18a und 19a mit ihren Feldern bedeuten die Minimalamplituden,welche eine Schwel!spannung oder Zener-Spannung überschreiten müssen, bevor das Mischen der zweiten und vierten harmonischen Signale mit der Grundfrequenz geschieht. Im Verlauf der Abstiegscharakteristik 16, unmittelbaren Anschluß an den Scheitelpunkt 15, werden sämtliche Harmonischen mit der Grundfrequenz vermischt, bis zum Zeitpunkt t_. Bei t wird das vierte harmonische Signal durch den Zener-Effekt des Amplitudenbegrenzers 17 blockiert, so daß bis zu einem Zeitpunkt T. nur die Grundfrequenz mit dem zweiten harmonischen Signal vermischt wird. Zum Zeitpunkt t. ist die Amplitude der Harmonischen im wesentlichen so weit abgesunken, daß bis zum Zeitpunkt t nur die Grund-Rechteckwellenfrequenz an die Verstärker-Ausgangsschaltung des elektrischen Pianos weitergeleitet wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Charakteristik-Kurve 20 zeigt die zusammengesetzte PianoklangcharakterLstik-Hülllfurve, weldhe dem von einem echten mechanischen Pianobetätigungsmechanismus erzeugten Sound sehr nahekommt.

Die Schaltung 10 des elektronischen Musikinstruments

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bietet einen neuen Weg zur Erzeugung elektronischer Audiosignale mit der Klangcharakteristik eines Pianos. Beispielsweise beinhaltet diese Schaltung folgende Funktionen: Erzeugung einer Grund-Rechteckwellenfrequenz des hörbar darzubietenden Pianotons, Entwicklung mindestens einer harmonischen Frequenz dieser Grundfrequenz, Erstellung eines Torsignals entsprechend einer Piano-Klangcharakteristik mit Null-Abschnitt, Anstieg, Scheitel und Abstiegscharakteristik, Begrenzung der Amplitude der harmonischen Signale auf einen vorbestimmten Minimalwert, Mischen des begrenzten harmonischen Signals mit dem der Grundfrequenz nur im Verlauf von vorbestimmten ausgewählten Abschnitten der Piano-Klangcharakteristik-Kurve, und Steuerung der Übertragung der Grundfrequenz und der begrenzten harmonischen Signale auf einen Audioverstärker, welcher schließlich den Audio-Sound des Pianoklanges produziert.

In der Schaltungseinrichtung 12 bildet ein mit zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 22 und 23 parallel geschalteter Kondensator 21 ein RC-Zeitglied, welches von einer Leitung B+ aufgeladen wird, wenn die Schaltkontakte einer Pianotastatur 24 geschlossen sind. Der Kondensator 21 ist also im Normalzustand bis auf einen Maximalwert der Leitung B+ aufgeladen. Wird in der Tastatur 24 durch Betätigung der entsprechenden Taste der zugeordnete Tastenschalter geöffnet und dadurch der Kondensator 21 von der Leitung B+ getrennt, dann entlädt sich der Kondensator 21 über die beiden Widerstände 22 und 23. Bei vollständig gedrückter Taste berührt der zugehörige Tastenschalter der Tastatur 24" einen normalerweise offenen Anschluß, und die Restladung von Kondensator 21 wird im wesentlichen augenblicklich über eine Diode 28 auf einen Kondensator 26 mit parallel geschaltetem Widerstand 27 übertragen. Bei dieser Schaltungsanordnung

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bildet die auf den Kondensator 26 übertragene Ladungsmenge im wesentlichen augenblicklich den Anstiegs— abschnitt 14 der Charakteristik-Kurve von Fig. 6, bis der Scheitelabschnitt 15 erreicht ist, und zu diesem Zeitpunkt ist die Ladung vom Kondensator 21 voll auf den Kondensator 26 übergegangen. Der Betrag der zum Kondensator 26 übergeleiteten Ladung ist die Restladung im Kondensator 21 nach seiner ursprünglichen Entladung durch seinen Parallelwiderstand 22. Der Vorteil liegt darin, daß die Übertragungsrate bzw. die relative Härte, mit der die Taste angeschlagen wird, den Betrag der Ladung bestimmt, die im Kondensator 21 verbleibt, welche wiederum die Amplitude des Scheitelabschnitts 15 der Pianoklang-Charakteristik-Kurve bestimmt. Je härter man die Taste anschlägt, desto lauter ist der Audio-Ausgang.

Sobald der Tastenschalter in der Tastatur 24 in seine Normalstellung zurückgekehrt ist, wird ein Transistor 29 über einen Widerstand 30 mit seiner Basis an die Leitung B+ gelegt und schaltet durch. Der durchgeschaltete Transistor 29 entlädt im wesentlichen augenblicklich den Kondensator 26 wieder, damit er bereitsteht für die nächste Aufladung, sobald der Tastenschalter der Tastatur 24 wieder betätigt wird. Durch einen Basiswiderstand 31 und einen ausgewogenen Kollektor-Lastwiderstand 32 ist der Transistor 29 auf Vorwärtsleitungsbedingung geschaltet. Der Emitter von Transistor 29 ist über einen Wählschalter 33 an Masse gelegt, der als Dämpfungs- oder Halteschalter wirken und über ein Fußpedal betätigt werden kann, wie dies bei Pianos üblich ist.

Im leitenden Zustand bewirkt der Transistor 29 eine Bedämpf ung der Charakteristik—Kurve aufgrund der Entladung von Kondensator 26. Ist Schalter 33 offen, dann ist

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Transistor 29 gesperrt, und die Charakteristik-Kurve wird nicht bedämpft. Der Abstieg 16 der Pianoklang-Hüllkurve ist so abgeflacht, daß ein gehaltener Ton erzielt wird. Beim Verklingen des gehaltenen Tones wird die Tonqualität verschärft, um für diesen Zeitraum den Pianoklang der Kurve zu verbessern. Aus diesem Grunde enthält die verringerte Amplitude des Abstiegabschnitts der Pianoklang-Charakteristik-Kurve während des Abstieg-Abschnitts 16 nur die Grundfrequenz.

Die von der Schaltung 12 erzeugte Klang-Charakteristik-Kurve wird über einen Schaltungspunkt 34 in den Amplitudenbegrenzer 17 eingespeist, so daß ausgewählte Abschnitte der Klangcharakteristik-Kurve zu Torschaltungen 36 und 37 gegeben werden können, welche an den Ausgang der Audio-Erzeugerschaltungen angeschlossen sind. Die Torschaltungselernente des Amplitudenbegrenzers 17 werden durch ein Paar Feldeffekttransistoren 36 und 37 gebildet, die als in Serie geschaltete Zener-Begrenzungseinrich— tungen dienen und in Serie geschaltet sind mit je einem zugeordneten Doppelgate-Feldeffekttransistor 39 bzw. 40. Ein dritter Feldeffekt-Transistor 41 ist über eine Leitung 42 direkt an den Schaltungspunkt 34 angeschlossen und hat keine Beschneidewirkung auf die an ihn angelegte Charakteristik-Kurve. Das Transistor-Tor 41 läßt die gesamte Grundfrequenz einschließlich aller Bereich zwischen Null-Amplitude bis Spitzenamplitude hindurch. Dies kann man am besten entnehmen aus einer der Leitung 42 in Fig. 1 benachbarten Charakteristikkurve 43. Dre Zener—Begrenzungseinrichtung 37 läßt die Abschnitte der Charakteristik-Kurve durch, welche einen vorbestimmten Minimalpegel überschreiten, wie durch den mit durchgehenden Linien gezeichneten Anteil einer Kurve 44 angedeutet ist. In ähnlicher

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Weise läßt die Zener-Begrenzungseinrichtung 36 noch weniger von der Charakteristik-Kurve hindurch, wie durch den mit durchgehenden Linien dargestellten Teil einer Kurve 46 angedeutet ist. Durch Benutzung des Amplitudenbegrenzers 17 in Verbindung mit den Torschaltelementen 39, 40 und 41 erzielt man eine einmalige Kombination von Grund- und harmonischen Frequenzen im Verlauf einer Pianoklangcharakteristik-Hüllkurve und kann auf diese Weise die Klangqualität eines elektronischen Pianos wesentlich verbessern.

Innerhalb der elektronischen Schaltung 10 des Musikinstruments werden die Grundfrequenzen ursprünglich erzeugt durch einen HF-Rechteckwellengenerator 50 dessen Ausgang an einen Multifrequenzgenerator 51 und dessen zweiter Ausgang an eine Taktschaltung 52 angeschlossen ist. Zu dem Vielfrequenzgenerator 51 gehören mehrere Treiberschaltungen, welche sechs Frequenzen erzeugen, die um eine halbe Oktave auseinanderliegen können und über mehrere unabhängige Leitungen 53 in eine Anzahl von Teilerschaltungen 54 eingegeben werden. Ein zweites Bündel von Ausgangsleitungen 56 verläßt den Vielfrequenzgenerator 51 und ist an andere Teilerschaltungen angeschlossen, welche mit anderen Tasten der Tastatur zusammenarbeiten. Es sei erwähnt, daß die in der Zeichnung nur einmal dargestellte Schaltungsanordnung mit Taktschaltung 52 und Teilerschal— tungen 54 in Wirklichkeit so oft vorhanden ist, wie es Tasten auf der Tastatur gibt.

Fig. 1 zeigt also die Schaltungsanordnung, für eine Taste zur Erzeugung der korrekten Pianoklang-Charakteristik-Kurve. Die von den Teilerschaltungen 54 erzeugte Grundfrequenz wird in die Torschaltung 41, die zweite Harmonische in die Torschaltung 40 und die vierte Harmonische

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in die Torschaltung 39 eingegeben. Durch Kombination der richtigen Beträge aller Bestandteile der harmonischen Freguenzen im richtigen Zeitpunkt im Verlauf der Charakteristik-Kurve von Fig. 6 erhält man das richtige Frequenzspektrum, den richtigen Anstieg und die richtige Abstiegscharakteristik. Die von den Teilerschaltungen 54 erzeugten Audiofrequenzen, welche entsprechend der Klangcharakteristik-Kurve in ihrerAmplitude ansteigen und abklingen, werden miteinander vermischt und über einen Serienwiderstand an eine Integrierschaltung 60 abgegeben. Diese besteht aus einem Ladekondensator 62 und einem parallel geschalteten Widerstand 63 mit vorbestimmtem Widerstandswert. Die Zeitkonstante dieser Schaltung ist ausreichend groß, um derweil die Entwicklung der Audiosignalinformation zu gestatten, jedoch.genügend klein, um äußere HF-Taktsignale an Massepotential ableiten zu können. Das auf diese Weise am Integriernetzwerk 60 erzeugte Audiosignal wird in eine geeignete Filter- und Audioverstärkerschaltung 64 eingegeben und von dort an eine reproduzierende Einrichtung wie Lautsprecher 66 weitergeleitet.

Fig. 11 zeigt eine Anzahl von Rechteckwellensignalen einschließlich der Grundfrequenz und der zweiten und vierten Harmonischen zur Bildung der verschiedenen Audiosignalkomponenten im Verlauf der verschiedenen Abschnitte der Pianoklangcharakteristik-Kurve. Aus Darstellungsgründen wurde zwar eine einheitliche Form der Amplitude und Zeitdauer gewählt, es sei aber erwähnt, daß die zuzusetzenden Komponenten gegenüber der Darstellung tatsächlich unterschiedliche Amplituden und Zeitproportion-en haben können. Eine Rechteckwelle 75 stellt die Grundfrequenz-Rechteckwelle dar, und sie dauert eine mit T bezeichnete halbe Periode. Der Buchstabe A bezeichnet -die Amplitude der Grundfrequenz-Rechteckwelle 75. Dies ändert sich mit dem

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Scheitelwert der Hüllkurve. Die zweite Harmonische ist dargestellt durch eine Anzahl von Rechteckwellen 78, und die Dauer dieser zweiten Harmonischen entspricht T/2, während die Amplitude einhalb A bei einem bestimmten Pegel der Hüllkurve ist. Die vierte Harmonische ist dargestellt durch eine Anzahl von Rechteckwellen 81 mit der Dauer von ein Viertel T und der Amplitude von ein viertel A. Diese Signale werden ordnungsgemäß durch die verschiedenen Torschaltungen 39, 40 und 41 hindurchgeschleust und dabei gemischt und zugesetzt, so daß die erforderlichen Audiosignale entstehen. So wird beispielsweise zu Beginn des Anstiegszeitabschnitts zwischen T„ und T von Fig. 6 nur die Grundfrequenz 75 in die ..ntegrierschaltung 60 am Eingang des Audioverstärkers eingespeist. Dagegen wird im Zeitraum zwischen t^. bis t~ die Grundfrequenz 75 und die zweite Harmonische 78 zugesetzt, und das Summenfrequenzsignal 71 geht dann zum Netzwerk am Eingang des Audioverstärkers. Anschließend an diesen Zeitraum wird die vierte Harmonische 81 zur zweiten Harmonischen und zur Grundfrequenz zugesetzt und dadurch während des Zeitraumes t_? bis t_ das Stufensignal 72 erzeugt.

Daraus läßt sich also entnehmen, daß an einem vorbestimmten Punkt im Verlauf der Klang-Charakteristik-Kurve von Fig. 6 eine Eingangsamplitude von A der Grundfrequenz eine zweite harmonische Amplitude von ein halb A und eine vierte harmonische Amplitude von ein viertel A erzeugt. Bei diesem gleichen Pegel der Pianoklangcharakteristikkurve erzeugt eine Eingangsamplitude von ein halb A der Grundfrequenz eine Amplitude Null der zweiten Harmonischen und eine Amplitude Null der vierten Harmonischen. In gleicher Weise führt ein Amplitudenpegel von drei viertel A der Grundfrequenz

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zu einer Amplitude von ein Viertel A der zweiten Harmonischen und einer Amplitude Null der vierten Harmonischen-, Es sei bemerkt, daß das Verhältnis zwischen der Grundfrequenzamplitude und der Amplitude der zweiten Harmonischen 3:1 und nicht 2:1 ist, wenn der Amplitudenpegel der Grundfrequenz A ist, wie oben beschrieben. Dadurch werden unterschiedliche Amplitudenverhältnisse bei unterschiedlichen Stufen der Stufenwellenanordnung von Fig. 3 erzeugt. Mit einem Amplitudenpegel von fünf Viertel A derGrundfrequenz wird eine Amplitude von drei Viertel A der zweiten Harmonischen und eine Amplitude von zwei Viertel A der vierten Harmonischen erzielt. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von 5:3 zwischen der Grundfrequenz und der Amplitude der zweiten Harmonischen und ein Verhältnis von 5:2 zwischen der Grundfrequenz und der Amplitude der vierten Harmonischen.

Von besonderer Bedeutung ist der Amplitudenanstieg des Audiosignals als Resultat des Zusatzes der Grund- und harmonischen Frequenzen in den betreffenden Zeiträumen. Darum bildet die Pianoschaltung dieser Erfindung nicht nur die Anstiegs-, Scheitel- und Abstiegscharakteristik durch Anwendung der gesteuerten Ladung und Entladung eines Kondensators nach, sondern sie gibt der Charakteristik— kurve auch noch zusätzlichen Auftrieb durch automatische Amplitudenvergrößerung des Audiosignals in Abhängigkeit vom Zusatz von Harmonischen. Es sei angemerkt, daß der Zusatz der Grund-Rechteckwelle 75 und der Rechteckwellen Harmonischen 78 und 81 zu einer absteigen Stufenwellenform führt, die man filtern kann, um jeden Audiozyklus des erzeugten Tones zu produzieren.

Zum besseren Verständnis der Filterfunktion der Integrierschaltung 60 wird auf Fig. 2 und 3 verwiesen, wo die Art

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der dort zur Integration zugesetzten Audiosignalkomponenten dargestellt ist. Figur 3 zeigt eine Anzahl von Audiofrequenzsignalen 70a, 70b und 70c, die im Anstiegsabschnitt der Hüllkurve enthalten sind, die in Fig. 3 durch die unterbrochene Linie 71 angedeutet ist. aus Vereinfachungsgründen ist diese unterbrochene Linie 71 in Fig. 3 mit gleichmäßigem Anstieg dargestellt, während in Wirklichkeit dieser Abschnitt der Wellenform dem Anstieg 14 der Kurve von Fig. 6 entsprechen kann. Wird die Sequenz des Audiosignals umgedreht, also in die Reihenfolge 70c, 70b, 70a, dann entspricht sie dem Abstiegsabschnitt 16 der genannten Kurve. Jeder Audiozyklüs 72 und 73 innerhalb de^ ^.i.ui'äk teristikkurve ist zusammengesetzt aus einer· Serie von Stufenimpulsen, welche durch die Wirkung der Torelemente 39, 40 und 41 zusammengestellt sind und schließlich in der Integrierschaltung 60 gefiltert werden. Der Zusatz der Harmonischen erfolgt durch Synchronoperation der Torschaltungen 39, 40 und 41 unter Einschaltung eines Taktsignals von der Taktschaltung 52 in ausgewählten Zeiträumen im Verein mit Signalen von den Teilerschal— tungen 54. Wenn auch von jedem Zyklus 72, 73 und 75 in Fig. 3 nur eine einzige Wellenform dargestellt ist, so sei hier gesagt, daß mehrere solcher Impulse im Verlauf des fortschreitenden Anstiegsabschnitts der Charakteristikkurve erzeugt werden können. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Ausgang von jeder Taktleitung ein Drittel der Frequenz vom Eingang betragen,- so daß eine im wesentlichen gleiche Bewertung der Signale erreicht werden kann. Es ist jedoch zu bedenken, daß andere Ausgangsintervalle benutzt werden können, beispielsweise kann eine Ausgangsleitung zwei, drei oder mehr zugeordnete Zeitintervallimpulse im Vergleich zu anderen Ausgängen der Taktschaltung haben.

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Zum besseren Verständnis der den Torelementen 39, 40 und 41 zugeführten Teiler- und Taktsignale wird auf die Figuren 8, 9 und 10 verwiesen, wo nur die Torschaltungsabschnitte mit an ihre Steuereingänge angelegten Eingangssignal-Wellenformen dargestellt sind. So ist die an einen Steuereingang des Torelementes 41 angelegte Grundfrequenz mit der Bezugszahl 73 bezeichnet, während mehrere Taktsignale 74 an den anderen Steuereingang dieser Torschaltung geführt sind . Die Ausgangs-Wellenform bildet eine Kombination von Takt- und Teilersignalen und hat im wesentlichen die Form einer Anzahl von Impulsen, die durch eine gepunktete Wellenform 75 dargestellt ist. Andererseits wird an die Torschaltung 40 das erste harm.mische Signal 76 an eine Steuerelektrode, und ein Taktsignal 77 an die andere Steuerelektrode angelegt. Die Kombination der zweiten Harmonischen mit dem Taktsignal erzeugt eine Anzahl von Impulsen in Form der gepunkteten Wellenform 78. In ähnlicher Weise geht die vierte Harmonische 79 an eine Steuerelektrode der Torschaltung 39 und Taktsignale 80 an deren andere Steuerelektrode. Daraus entsteht eine gepunktete Wellenform 81. Alle diese Signale werden schließlich in einer Ausgangsleitung 82 von Fig. 1 miteinander kombiniert oder addiert, und daraus ergeben sich die Audiosignale 70a, 70b und 70c von Fig. 3. Das Summieren der einzelnen Signale erzeugt die Stufenkonfiguration 72 von Fig. 3 von jedem Audiosignal.

Fig. 4 zeigt eine andere neuartige Schaltungsanordnung zur Gewinnung einer Pianoklang-Charakteristik-Kurve mit Anstieg, Scheitel und Rückflanke, wie sie zur Ausnutzung der von Fig. 1 entnommenen Signale benutzt werden kann; sie trägt die Bezugszahl 90. Die Schaltung von Fig. 4 kann die Schaltung von Fig. 1 ersetzen. Bei "Schaltung 90 wird ein Tastenschalter 91 durch Tastenbetätigung selektiv an einen

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Kontakt 92 gelegt, der mit einem Potential B+ verbunden ist. Der Tastenschalter 91 ist verbunden mit einem Ladekondensator 93 und einem an Masse gelegten Festwiderstand 94. In einem Schaltungspunkt 96 ist die Kathode einer Diode 97 angeschlossen, deren Anode über einen Festwiderstand 99 an eine Ausgangsleitung 98 gelegt ist. Ein zweiter Lade- und Entlade-Kondensator 100 ist in einem Schaltungspunkt 101 auch an die Ausgangsleitung 98 angeschlossen. Der auf der Ausgangsleitung 98 anstehende Gleichspannungspegel wird über einen WiderstandlO3 in einem Schaltungspunkt 104 vom Kollektor eines Transistors 102 abgetastet. Diese Schaltung arbeitet als Zener-Halteschaltung, so daß sich der Gleichspannungs-Widerstandspfad von der Ausgangsleitung 98 in Abhängigkeit von Änderungen im Gleichspannungspegel der angelegten Klangcharakteristikkurve ändert. Ein aus zwei in Serie geschalteten Widerständen 106 und 107 bestehendes Spannungsteilernetzwerk ist in seinem mittleren Schaltungspunkt 108 an die Basis von Transistor 102 angeschlossen und versorgt diesen mit seiner Vorspannung.

Eine an den Ausgang von Kondensator 93 angeschlossene Diode 110 dient als Entladepfad für diesen Kondensator, wenn die an ihm anliegende Spannung sich umkehrt. An den Verknüpfungspunkt von Kondensator 93 und Diode 110 ist ferner ein Serienwiderstand 111 angeschlossen, der mit seinem anderen Ende mit der über einen Widerstand 113 an Masse gelegten Basis eines Transistors 112 verbunden ist. Der Transistor 112 schaltet durch, wenn er von einem Schaltungspunkt 113 über zwei in Serie geschaltete Widerstände 114 und 116 eine entsprechende Betriebsspannung erhält. Ein zwischen den beiden Widerständen 114 und 116 gelegener Schaltungspunkt 117 ist an die Basis eines Transistors 118 angeschlossen, dessen Emitter zum an dem

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Potential B+ liegenden Anschluß 113 und dessen Kollektor über einen Widerstand 120 an den Schaltungspunkt 101 gelegt ist. Der Widerstandswert von Widerstand 120 kann in der Größenordnung von etwa 100 Ohm bei der dargestellten Schaltung liegen.

Beim Pumpenbetrieb der Schaltung wird durch Drücken des Tastenschalters 91 das Potential B+ über den Ladekonden— sator 93 zu den Transistoren 112 und 118 weitergeleitet, die dadurch ihre entsprechende Vorspannung erhalten und sofort durchschalten. Jedes Mal, wenn Transistor 118 durchgeschaltet ist, steigt die Spannung am Kondensator 100 nach einer Zeitkonstante an, die bestimmt ist, durch den relativ kleinen Wert von Widerstand 120 und die Kapazität des Kondensators 100 selbst. Das gibt der Pianoklang-Kurve von ' Fig. 5 einen relativ scharfen Anstieg. Eine linksseitig in Fig. 5 sichtbare Frontflanke 125 einer Pianoklang-Charakteristik-Kurve 126 verläuft im wesentlichen exponential förmig und relativ steil im Vergleich zur Entladeoder Abstiegs-Charakteristik dieser Pianoklangkurve. Der Scheitelpunkt 127 der Kurve 126 ist erreicht, wenn der Kondensator 100 vollständig aufgeladen ist.

Wie gesagt, sorgen Widerstand 120 und Kondensator 100 für die Bildung einer RC-Zeitkonstante für das Ladeverhalten des Kondensators. Für die Dauer des Anstiegsab— Schnitts 125 der Kurve 126 wird die Zeitkonstante jedoch bestimmt durch den Kondensator 9 3 mit S eri enwi de¹ rs t and 111. Dieser Zeitabschnitt liegt in Fig. 5 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t„.

Sobald sich der Kondensator 93 soweit aufgeladen hat, daß die Spannung an der Kathode von Diode 110 abfällt und nicht hoch genug ist, um die Transistoren 112 und

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im leitenden Zustand zu halten, dann sperren diese Transistoren, und die Spannung am Schaltungspunkt

101 beginnt entsprechend einem Abstiegsabschnitt

128 der Kurve 126 zu sinken. Diese Abklxngcharakteristxk der Kurve verläuft exponentiell, solange wie der Pianotastenschalter 91 geschlossen bleibt.

Wegen seiner Einschaltvorspannung arbeitet der Transistor

102 im wesentlichen wie eine weiche Z-Diodenschaltung. Auf diese Weise ist der Schaltungspunkt 101 nur über den Widerstand 103 mit Masse verbunden, wenn der Transistor 10? durchgeschaltet ist, jedoch über insgesamt drei Widerstände 103, 106 und 107, wenn der Transistor 102 gesperrt ist. Das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 106 und 107 vervielfacht die Basisspannung von Transistor 102 zur Erlangung eines Vielfachen der Basisspannung von dessen Kollektorelektrode, um den gewünschten Zener-Effekt zu erzielen. Durch Wahl bestimmter Widerstandswerte kann man somit die Zener-Spannung verändern.

Ist die Spannung am Schaltungspunkt 101 größer als die gewählte Zener-Spannung am Schaltungspunkt 104, dann schaltet Transistor 102 durch, und der auf der Ausgangsleitung 98 ablaufende Abstiegsabschnitt der Charakteristikkurve wird bestimmt durch die Zeitkonstante des durch den Kondensator 100 und Widerstand 103 gebildeten Zeitgliedes. Während die Spannung am Schaltungspunkt 101 abfällt und dem am Schaltungspunkt 104 anstehenden Spannungswert nahekommt, beginnt der "Transistor 102 weniger hindurchzulassen, bis er schließlich ganz sperrt, so daß sich die von der Ausgangsleitung 98 abnehmbare Abklingkurve ändert als Resultat der Zeitkonstante, welche durch den Kondensator 100 zusammen mit

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den Widerständen 103, 106 und 107 bestimmt ist. Es sei bemerkt, daß der Widerstandswert von Widerstand 106 so gewählt ist, daß er relativ groß ist im Vergleich zum Widerstandswert der Widerstände 103 und 107. Daraus ergibt sich eine beträchtliche Widerstandsdifferenz im an den Schaltungspunkt 101 angelegten Widerstandswert, je nach dem, ob der Transistor 102 durchgeschaltet ist oder nicht. Das ist ein Mittel zur Übertragung bestimmter Betriebsvorspannungen an die Basis des Transistors 102.

Wird im Verlauf des Abstiegs 128 der Kurve 126 von Fig. 5 der Tastenschalter 91 freigegeben, dann verkürzt sich der Abstieg wesentlich durch Zusatz eines zweiten Abklingpfades über Widerstand 99 und Diode 9 zur Masse über den Widerstand 94. Diese Rapid-Abklingcharakteristik ist in Fig. 5 durch einen gekrümmten Kurvenabschnitt 129 der Pianocharakteristik-Kurve dargestellt.

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Ferner sei bemerkt, daß dieses schnelle Abklingen bei Freigabe des Tastenschalters 91 die Voraussetzung ist für eine rasche Aufeinanderfolge von Öffnungsund Schließbewegungen des Tastenschalters, was für bestimmte Piano-Spielarten notwendig ist.

Es wurde beschrieben eine einfache und einmalige Schaltungsanordnung zur Gewinnung von notwendigen Piano-Klangfrequenzen und einer Piano-Klangcharakteristikkurve, durch die ein elektronisches Musikinstrument im wesentlichen den gleichen Klangcharakter enthält wie ein richtiges mechanisches Piano. Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein elektronisches Musikinstrument mit Tastatur zur elektronischen Reproduktion des Piano-Sound. Die darin enthaltene Schaltung hat Mittel zum Verändern der Amplitude des Pianoklangs in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tastenanschlags. Ferner sind Mittel vorhanden zum Erzeugen einer Grund-Rechteckwellen-Frequenz und der zweiten und vierten Harmonischen davon in Abhängigkeit von der Betätigung einer gegebenen Taste der Tastatur. Eine Schaltungsanordnung enthält Mittel zum Kombinieren der Grundfrequenz und der zweiten und vierten Harmonischen in einer vorbestimmten Zeitrelation, um den Null-Ausgang, Anstieg, Scheitelabschnitt und die Abstiegs-Charakteristik des Pianoklangs zu produzieren, wie sie von einer richtigen Pianosaite abgegeben werden. Ein Amplitudenbegrenzer ist mit der Schaltung gekoppelt, um die Amplitude der Harmonischen in Abhängigkeit von vorbestimmten Werten so zu steuern, daß das Mischen der Grundfrequenz mit der zweiten und vierten Harmonischen an vorbestimmten Punkten der Pianoklang-Charakteristikkurve erfolgt und dadurch eine besonders genaue elektronische Reproduktion des Piano-Sound ermöglicht wird. Eine andere Schaltungsanordnung enthält Mittel zur schnellen Rücksetzung der Piano-Schaltung, damit die Tasten in schneller Folge nacheinander betätigt werden können.

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Claims

Ansprüche

jjElektronisches Musikinstrument mit einer Tastatur, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (12) zur von einer Betätigung der Tastatur (24) abhängigen Erzeugung eines Torsignals (43), das im Null-Bereich (13), Anstieg (14), Scheitelpunkt (15) und in der Abstiegs-Flanke (16) die Charakteristik einer Piano-Klangkurve (20) besitzt; einen Audio-Signal-Generator (54) zur Erzeugung einer Grundfreguenze und mindestens einer Harmonischen; eine Audio-Verstärkerschaltung (64), welche die Grundfrequenz und die Harmonischen aufnimmt; eine zwischen Audiosignal-Generator und Audioverstärker-Schaltung eingefügte Torschaltung (39,40,41) zur Steuerung des Betrages des zu der Audio-Verstärkerschaltung (64) gelangenden Signals von Grundfrequenz und Harmonischen; und durch eine mit den Torschaltungselementen (39,40_f41) gekoppelte Schaltung (17) zur Amplitudenkontrolle der in den Verstärker (64) eingegebenen Grundfrequenz und Harmonischen, die an vorbestimmten Zeitpunkten im Verlauf der Piano-Klangkurve (20) wirksam ist.
2. Musikinstrument nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungselemente (39,40,41) auf die Amplitudenspitzen (44 u. 46) der Pianoklangkurve (43) ansprechen, um die Grundfrequenz und Rechteckwellenfrequenzen bei verschiedenen Amplituden zu mischen.

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3. Musikinstrument nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der an die Torschaltungselemente (39,40,41) angekoppelten Schaltung (17) spannungsabhängige Einrichtungen (36 und 37) gehören, die einen ersten und einen zweiten vorbestimmten Minimal-Spannungswert besitzen, die überschritten werden müssen, damit die Torsignale (46 bzw.44) passieren können, daß die erste Einrichtung (37) mit der Schaltung den Durchlaß der Harmonischen der Grundfrequenz und die zweite Einrichtung (36) mit der Torschaltung für den Durchlaß der zweiten Harmonischen der Grundfrequenz gekoppelt ist, und daß dabei die Grundfrequenz und die Rechteckwellenfrequenzen bei verschiedenen Spannungswerten im Verlauf der Pianoklangkurve zugesetzt werden.
4. Musikinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Einrichtung (37 und 36) den Durchlaß der ersten und zweiten harmonischen Frequenzen bei unterschiedlichen Spannungswerten ermöglichen.
5. Musikinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste harmonische Frequenz die zweite Harmonische der Grundfrequenz und die zweite harmonische Frequenz die vierte Harmonische der Grundfrequenz ist.

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