DE3006453C2 - Tonsignalsteuerschaltung für ein elektronisches Musikinstrument - Google Patents

Description

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hauptzweig (21) als Tiefpaß ausgelegt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zusätzlichen Hauptzweig (122) eine Zenerdiode (ZD)\iegt.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zusätzlichen Hauptzweig (22) ein Verstärker (A₂) liegt, dessen einem Eingang das modulierte Tonsignal (TSm) über eine Diode (Dt) zugeführt wird und an dessen anderem Eingang eine feste Grenzwertspannung (U_r) liegt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Hauptzweig (21) ein Verstärker (A\) mit nachgeschalteteni ohmschen Widerstand (Ri) und im zusätzlichen Hauptzweig (22) ein Verstärker (A₂) mit nachgeschaltetem Kondensator (Q) liegt, wobei der gemeinsame Ausgang (20) zwischen Widerstand und Kondensator abgeht.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen den Analogschalter (16) umgehenden Nebenzweig (23) zur Überlagerung des modulierten Tonsignals (TSm) mit einem invertierten Gleichspannungsanteil (Uk), dessen Größe gleich der halben Amplitude des modulierten Tonsignals am Mischpunkt ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenzweig (23) einen Verstärker (A3) aufweist, der als Inverter geschaltet ist und einen verkleinernden Verstärkungsfaktor hat.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptzweig (21) ein Hauptzweig-Verstärker (A\) angeordnet ist, mit dessen Eingang der Nebenzweig (23) verbunden ist.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zweigen (21,

22,23) angeordneten Verstärker (A₁, A₂, A₃) jeweils für eine Gruppe von Analogschaltern (16) vorgesehen sind und am Verstärkereingang eine Sammelschiene (St, S₂, Si) aufweisea

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogschalter (16) oktavweise zusammengefaßt und von jeweils einem 12-Ton-Teiler (3, bis 3?) mit den Grund-Rechteck-Tonsignalen versorgt sind und daß die Eingänge der 12-Ton-Teiler aufeinanderfolgender Oktaven über einen 1 :2-Teiler (42 bis 4₇) miteinander verbunden sind.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Grund-Rechteck-Tonsignale zwei Gruppen (25, 26) von 12-Ton-Teilern (3| bis 3₇; 103i bis 103₇) vorgesehen sind, von denen die erste direkt von einem Taktgenerator (2) und die zweite über eine Ausblendvorrichtung (27), die in vorgegebenen Abständen jeweils einen Taktimpuls unterdrückt, mit Taktimpulsen gespeist ist, und daß jeder Analogschalter (16) Tonsignale annähernd gleicher Frequenz aus beiden Gruppen schaltet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tonsignalsteuerschaltung für ein elektronisches Musikinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Tonsignalsteuerschaltung dieser Art (DE-OS 27 09 532) werden für jeden angeschlagenen Ton mehrere Rechteck-Tonsignale erzeugt, welche die Frequenz der Grundwelle des abzugebenden Tons und höhere Frequenzen aufweisen. Diese Tonsignale werden in zwei Wellenformwandlern unterschiedlich gemischt Der Ausgang jedes Wellenformwandiers ist mit einer Verknüpfungsschaltung verbunden, in der eine Modulation durch die Hüllkurve aus dem Hüllkurvengenerator erfolgt Von jeder Verknüpfungsschaltung geht dann ein Hauptzweig zu einer ausgangsseitigen Mischstufe, wobei in dem einsn Hauptzweig ein Amplitudenbegrenzer vorgesehen ist Beiden Verknüpfungsschaltungen kann auch das gleiche Tonsignalge-

misch zugeführt werden. Auf diese Weise soll der Klang eines Saiteninstruments, beispielsweise eines Pianos, nachgebildet werden, wobei sich von der Anschlagstärke bzw. von der Tastengeschwindigkeit abhängige Frequenzspektren ergeben sollen. Der hierfür erforderliehe Aufwand an elektronischen Bauelementen ist aber hoch.

Es ist ferner ein elektronisches Tastenmusikinstrument bekannt (DE-AS 25 09 684), bei dem einem Schalter einerseits ein Tonsignal und andererseits eine Schaltspannung über einen Tastenkontakt zugeführt wird. Von diesem Schalter geht ein Hauptzweig für das geschaltete Tonsignal ab. Zum Zweck der Kompensation des Schaltknacks wird ein Nebenzweig mit einem Kompensationswiderstand ebenfalls mit der vom Tastenkontakt geschalteten Steuerspannung beschickt und das so gewonnene Signal dem geschalteten Tonsignal überlagert

Es ist ferner eine Tonsignal-Steuerschaltung bekannt (US-PS 39 35 783), bei der zwei Feldeffekttransistoren einerseits mit Hüllkurvenspannungen und andererseits mit Tonsignalen von einem Teiler versorgt werden. Jeder Feldeffekttransistor hat einen Tonsignale führenden Hauptzweig als Ausgang.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Klang eines mechanischen Pianos mit geringem Aufwand elektronisch gut nachzubilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst

Bei einem mechanischen Piano bewirkt ein harter Tastenanschlag eine kurzzeitige starke Betonung der harmonischen Oberwellen gegenüber der Grundwelle. Dadurch, daß Tonsignale mit einem Tastverhältnis von 25 bis 30% zur Verfügung gestellt werden, ergeben sich, wenn sie über den als Hochpaß ausgelegten zweiten Hauptzweig geleitet werden, in starken Maße Oberwellen am Ausgang. Dies geschieht immer dann, wenn infolge hoher Tastengeschwindigkeit die Hüllkurvenspannung und d;:mit die Amplitude des modulierten Tonsignals so groß ist, daß der Ansprech-Grenzwert für den zweiten Hauptzweig überschritten wird. Es ergibt sich daher eine sehr gute Nachbildung des Klanges eines mechanischen Pianos.

Dies wird mit einem sehr geringen Aufwand erreicht Da bereits der Tongenerator Tonsignale mit einem Tastenverhältnis von 25 bis 30% abgibt, braucht man den Analogschaltern außer der Hüllkurvenspannung jeweils ein nur die Frequenz der Grundwelle des abzugebenden Tons aufweisendes Grund-Rechteck-Tonsignal zuzuführen, um die gewünschten Klangeffekte zu erzielen. Eine Mischung mit Tonsignalen höherer Frequenz kann daher entfallen. Da jeder Analogschalter beide Hauptzweige bedient, läßt sich die Zahl der Verknüpfungsschaltungen halbieren. Insgesamt ergibt sich daher eine Verringerung der jeweils benötigten Generatorausgänge und der Verknüpfungsschaltungen in der Steuervorrichtung.

Anspruch 2 ermöglicht es, daß bei langsamerer Tastengeschwindigkeit der Anteil der tiefen Frequenzen überwiegt und sich daher eine noch stärkere Differenzierung der abgegebenen Töne in Abhängigkeit vom Tastenanschlag ergibt.

Ansprüche 3 und 4 geben Ausführungsformen an, die bewirken, daß der zusätzliche Hauptzweig nur beim Überschreiten des genannten Grenzwerts öffnet.

Bei der Lösung nach Anspruch 5 wirken der ohmsche Widerstand und der Kondensator als Tiefpaß-Filter bzw. als Hochpaß-Filter, je nachdem über welchen Verstärker das bearbeitete Tonsignal zugeleitet wird.

Ansprüche 6 bis 8 geben an, wie man einen an sich aus DE-AS 25 09 684 bekannten Nebenzweig zur Schaltknackunterdrückung einschalten muß, wenn es sich um modulierte Tcnsignale handelt und bereits zwei Hauptzweige vorhanden sind.

Anspruch 9 ermöglicht eine weitere Einsparung von Bauelementen, insbesondere von Verstärkern.

Anspruch 10 ermöglicht einen übersichtlichen Aufbau, wobei die Zwölf-Ton-Teiler dicht neben den Analogschaltern plaziert werden können und. das Tonsignal nur kurze Wege durchlaufen muß. Insbesondere können alle Teiler einer solchen Oktave auf einer Platine angeordnet sein. Es ist nicht erforderlich, die einzelnen Oktaven über eine Vielzahl von Tonsignalleitungen zu verbinden. Es genügt, das Eingangssignal über den 1 :2-Teiler zuzuführen. Dies erleichtert den Aufbau erheblich.

Anspruch 11 gibt an, daß durch eine geringfügige Verstimmung zweier dem Analogschalter zugeführter Grund-Rechteck-Tonsignale der Klang eines Pianos nachgebildet werden kann, der entsteht, wenn gleichzeitig mehrere Seiten angeschlagen werden. Auch hier haben die Tonsignale nur genau bzw. angenähert die Frequenz der Grundweöe des abzugebenden Tons.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektronischen Pianos gemäß der Erfindung,

F i g. 2 das Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform einer hierfür geeigneten Tonsignalsteuerschaitung, F i g. 3 Spannungsverläufe innerhalb der Schaltung

■ o der Fig. 2,

F i g. 4 ein Ersatzschaltbild für den Hauptzweig,
F i g. 5 den zugehörigen Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz,
F i g. 6 das Ersatzschaltbild des zusätzlichen Hauptzweiges,

F i g. 7 die zugehörige Spannung über der Frequenz, F i g. 8 das vom Tongenerator abgegebene Tonsignal, F i g. 9 einen abgewandelten Hauptzweig und zusätzlichen Hauptzweig der F i g. 2 und

F i g. 10 eine abgewandelte Schaltung des Tongenerators.

Bei dem elektronischen Piano nach F i g. 1 besteht der Tongenerator 1 aus einem Taktgenerator 2 und für jede Oktave einen 12-Ton-Teiler3i,3₂... 3₇. Der Eingang des 12-Ton-Teilers 3i für die erste Oktave wird direkt mit den Taktimpulsen des Taktgenerators 2 versorgt, der Eingang des 12-Ton-Teilers 32 für die zweite Oktave über einen ersten 1 :2-Teiler 4₂. Der Eingang des 12-Ton-Teilers für die nächste Oktave ist mit dem Eingang des 12-Ton-Teilers für die vorangehende Oktave jeweils durch einen solchen 1 :2-Teiler verbunden, also beispielsweise der Eingang des 12-Ton-Teilers 37 für die siebente Oktave über einen 1 :2-Teiler 4r mit dem Eingang des 12-Ton-Teilers 3β für die sechste Oktave. Jeder Tonsignalausgang 5 wird an eine Steuerschaltung 6 gelegt, die in F i g. 2 näher erläutert ist und der außerdem über eine Zuleitung 7 eine Hüllkurvenspannung HK von einem Hüllkurvenspannungsgeber 8 zugeführt wird. In diesem wird die Hüllkurve erzeugt, wenn eine Taste 9 des Instruments eines Tastenkontakts 10 betätigt wird. Der Tastenkontakt 10 liegt normalerweise an einer Ruhekontaktschiene 11, welche die normale Speisespannung Ub führt, und wird beim Niederdrücken der Taste 9 an eine Arbeitskontaktschiene 12 gehgt, welche Massepotential führt. Im Hüllkurvenspannungsgeber wird in der Ruhestellung ein Kondensator aufgeladen, der während der Zeit, die der Tastenkontakt 10 braucht, um von der Schiene 11 zur Schiene 12 zu gelangen, entladen wird.

Die Restspannung ist dann maßgebend für die Amplitude der Hüllkurve HK. Je stärker der Tastenanschlag, um so größer die Übergangsgeschwindigkeit, um so größer die Amplitude und um so größer die Lautstärke. In der Steuerschaltung 6 wird das Tonsignal TS in Abhängigkeit von der Hüllkurve HK moduliert. Über die Ausgangsleitung 13 wird ein Ausgangssignal Uis an eine weitere Verarbeitungsstufe 14 des Instruments gelegt, an deren Endverstärker ein Lautsprecher 15 angeschlossen ist.

bo In F i g. 2 ist die Steuerschaltung 6 für die oberste Oktave veranschaulicht. Sie umfaßt für jede Tonsignalleitung 5 einen Analogschalter 16 in der Form eines Feldeffekttransistors. An dessen source 17 ist die Hü'.'kurvenspannung HK, an dessen gate 18 das

b5 Tonsignal Γ5 angeschlossen. An dem drain-Anschluß 19 wird ein moduliertes Tonsignal TSm abgenommen.

Dieser als Ausgang dienender drain-Anschluß 19 ist über einen Widerstand R\ mit dem invertierenden

Eingang eines ersten Operationsverstärkers Ai verbunden, der einen Rückkopplungswiderstand R₂ aufweist. Der nichtinvertierende Eingang liegt an Masse. Der Verstärkerausgang ist über einen Widerstand R₃ mit einer Ausgangsklemme 20 verbunden. Diese Teile bilden einen Hauptzweig 21.

Ein zusätzlicher Hauptzweig 22 besteht aus der Reihenschaltung eines Widerslandes R₄ und einer Diode Du die an den invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers A₂ gelegt ist, dessen nichtin ver- ι ο tierender Eingang mit einer konstanten Vorspannung Vv versorgt ist. Auch dieser Operationsverstärker hat einen Rückkopplungswiderstand A₅. Sein Ausgang ist über einen Kondensator Q mit dem Ausgangspunkt 20 verbunden. Ein Nebenzweig 23 weist einen Widerstand ι <> Ri und einen dritter., a!s inverter arbeitenden Operationsverstärker A₃ mit einem Rückkopplungswiderstand Ä7 auf. Dessen nichtinvertierender Eingang liegt an Massepotential. Sein Ausgang ist über einen Widerstand Re mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A\ verbunden.

Der Ausgangspunkt 20 ist über einen weiteren Operationsverstärker Λ4 mit der Ausgangsleitung 13 für die Ausgangsspannung U_as verbunden.

Bei dieser Schaltung sind die im Bereiche I links der gestrichelten Linie 24 liegenden Teile für jede Taste einmal vorgesehen, während die im Bereich II rechts dieser Linie angeordneten Teile nur einmal pro Oktave vorhanden sind. Alle Teile einer Oktave können auf einer Platine montiert sein. jo

Zur Verbindung der einzelnen Zweige im Teil I mit den zugehörigen Verstärkern A₁ bis A₃ sind an den Eingängen dieser Verstärker jeweils Sammelschienen S₁, S₂ bzw. S₃ vorgesehen.

Die Funktionsweise dieser Schaltung ist wie folgt:

In Fig.3 ist über der Zeit das modulierte Tonsignal TSm gestrichelt veranschaulicht. Die Amplitude a entspricht der Hüllkurvenspannung HK, die in Abhängigkeit von dem Tonsignal TS vom Analogschalter 16 jeweils durchgeschahet wird. Wenn dieses Tonsignal lediglich von dem Hauptzweigverstärker A\ verarbeitet werden würde, ergäbe sich die in Fig.3 gezeichnete Spannung Uz, welche den Wert

-HK-^-

hat Diese Spannung besitzt einen Gleichspannungsmittelwert der beim Schalten einen Schaltknack hervorruft Demzufolge wird über den Nebenzweig 23 eine Kompensationsspannung Uk zugeführt, welche diese Gleichspannungskomponente und damit den Schaitknack beseitigt

Für die Ausgangsspannung U₁₁ \ am Operationsverstärker A\ des Hauptzweiges 21 bilden der Widerstand A3 und der Kondensator G einen Tiefpaß, so daß sich die Spannung U₃ am Punkt 20 gemäß Fig.5 in Abhängigkeit von der Frequenz verhält Höhere Frequenzen werden stärker gedämpft Bezogen auf die Ausgangsspannung U₃₂ des Operationsverstärkers A₂ des weiteren Hauptzweiges 22 bilden der Kondensator C\ und der Widerstand Rz einen Hochpaß, so daß die Spannung U₃ am Punkt 20 den in F i g. 7 veranschaulichten Verlauf in Abhängigkeit von der Frequenz /"hat Dadurch, daß der Operationsverstärker A₂ auf eine Vorspannung U_n beispielsweise 5 V vorgespannt ist und die Diode A mit einer Schleusenspannung von 0,5 V vorgesehen ist, wird der weitere Hauptzweig 22 erst wirksam, wenn die Hüllkurvenspannung HK den Wert von 5,5 V überschritten hat. Je stärker also der Tastenanschlag, um so stärker die Wirkung des Hochpasses des weiteren Hauptzweiges 22 und um so stärker der Einfluß der Obertöne.

Fig.8 zeigt, daß die 12-Ton-Teiler ein Tonsignal TS abgeben, das ein Tastverhältnis von etwa 70 :30 hat, was zu einem Oberwellenspektrum führt, das für ein elektronisches Piano sehr günstig ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig.9 ist ein Hauptzweig 121 vorgesehen, der einen Widerstand Ä9, einen Querkondensator C₂ und einen weiteren Längswiderstand Ä10 besitzt. Der weitere Hauptzweig 122 besteht aus einer Zenerdiode ZD, einem Querwiderstand R_n und einem Längskondensator C₃. Diese beiden Hauptzweige sind parallel geschaltet und liegen am Eingang des Operationsverstärkers A_}. Hier wirkt der Hauptzweig 121 als Tiefpaß, während der weitere Hauptzweig 122 mit seiner Hochpaßwirkung erst in Tätigkeit tritt, wenn die Sperrspannung der Zenerdiode ZD überschritten ist.

In Fig. 10 ist eine Tongeneratoranordnung veranschaulicht, bei der eine erste Gruppe 25 von 12-Ton-Teilern vorgesehen ist, welche denjenigen der F i g. 1 entsprechen. Außerdem ist eine zweite Gruppe 26 von 12-Ton-Teilers 103i bis 103₇ mit entsprechenden 1 : 2-Teilern 104j bis 104₇ vorgesehen, welche über eine Ausblendvorrichtung 27 vom Taktgenerator 2 mit Taktimpulsen versorgt werden. Diese Ausblendvorrichtung hat die Form eines durch einen Umschalter 28 programmierbaren Teilers, der bei einem bestimmten Zählstand einen Taktimpuls unterdrückt. Wenn beispielsweise die Frequenz /i des Taktgenerators 2 zwei MHz beträgt, kann beispielsweise f₂ am Ausgang der Ausblendvorrichtung 1,9998 MHz betragen, so daß hierbei jeder fünfzigste Taktimpuls unterdrückt wird. Entsprechend sind die Taktfrequenzen der 12-Ton-Teilcr der Gruppe 26 geringfügig gegenüber denen der Gruppe 25 versetzt was zu leichten Schwebungen führt wie sie bei einem mechanischen Piano üblich sind. Die Tonsignale aus zwei entsprechenden Ausgängen der 12-Ton-Teiler, z.B. 3i und 103i sind über je einen Widerstand R\₂ und Ä13 mit dem Eingang 18 des Analogschalters 16 verbunden, so daß dieser gleichzeitig Tonsignale aus beiden Tongeneratoren schaltet

Bei einem Ausführungsbeispiel wurde das Piano mit einer Speisespannung Ub von 15 V betrieben. Die Rechteckspannung der Tonsignale TS betrug 10 V. Die Vorspannung U, war 5 V. Dies ergab eine Lautstärkedynamik von 60 bis 8OdB. Eine Anpassung der Kompensationsspannung U_K an den Wert des modulierten Tonsignals TSm ist sehr einfach durch Wahl der Widerstände R₆, R₇ und Rg möglich. Die verwendeten Teile sind handelsüblich. Beispielsweise wurden die nachstehenden integrierten Schaltungen bei einer Ausführungsform verwendet:

Operationsverstärker Λ TL 074
12-Ton-Teiler 3i... MO 82

Analogschalter 16 4016

Hierzu 3 Blatt Zeichnunsen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Tonsignalsteuerschaltung für ein elektronisches Musikinstrument mit vom Tastenanschlag abhängiger Lautstärke des angeschlagenen Tones, mit einem Rechteck-Tonsignale abgebenden Tongenerator, mit einem eine anschlagabhängige Hüllkurvenspannung abgebenden Hüllenkurvenspannungsgeber und mit einer Steuerschaltung, die Analogschalter, insbesondere Feldeffekttransistoren, aufweist und über zwei Hauptzweige mit unterschiedlicher Filterwirkung durch die Hüllkurvenspannung in ihrer Amplitude modulierte Tonsignale an einen gemeinsamen Ausgang abgibt, wobei der zweite Hauptzweig bei Überschreiten eines Grenzwertes der Amplitude des modulierten Tonsignals öffnet, gekennzeichnetdurch die Merkmale:

a) die Rechteck-Tonsignale weisen jeweils ein Tastverhältnis von 25 bis 30% auf,

b) den Analogschaltern (16) wird außer der Hüllkurvenspannung (HK) jeweils ein nur die Frequenz der Grundwelle des abzugebenden Tons aufweisenden Grund-Rechteck-Tonsignal (TS) zugeführt,

c) die Analogschalter (16) geben jeweils an beide Hauptzweige (21, 22) modulierte Tonsignale (TSm) db und

d) der zweite Hauptzweig (22) ist als Hochpaß ausgelegt.