DE3102643C2 - Schaltungsanordnung für ein elektronisches Musikinstrument - Google Patents

Abstract

Die Schaltungsanordnung für ein elektronisches Musikinstrument erzeugt die Töne durch Teilung aus einer Festfrequenz, mittels der ein Speicher leergezählt wird, in welchen der jeweils wiederzugebenden Tonfrequenz entsprechende Divisorwerte eingegeben werden. Jeder Leerzählvorgang triggert ein Ausgangssignal. Mit einfachen Mitteln läßt sich ein polyphon spielbares Instrument mit noch tragbaren Frequenzfehlern herstellen, das extern programmierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein elektronisches Musikinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die US-PS 41 27 048 offenbart eine Schaltung, die die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist. Sie wird dort als Audiosignalerzeuger für die Pedaltastatur einer elektronischen Orgel verwendet, wobei vorausgesetzt wird, daß der Spieler immer nur ein Pedal betätigt. In weiterer Ausgestaltung dient die bekannte Schaltung auch dazu, die Audiosignale für eine Begleitautomatik nach dem »Walking-Bass-Prinzip« zu erzeugen, wobei die einzelnen Sequenzen von dem Spieler durch Niederdrücken des den Grundton der Sequenz bestimmenden Pedals getriggert werden. Zur Wirkungsweise dieser Schaltung ist ergänzend auf die Veröffentlichung »Frequency Synthesizers« in WIRELESS WORLD.

Oktober 1978, Seite 75, hinzuweisen.

Die bekannte Schaltung ermöglicht jedoch nicht, nach diesem Prinzip das Instrument polyphon zu spielen: der verwendete Speicher weist sogar Komponenten auf, die es ermöglichen, bei Betätigen mehrerer Pedale alle höher als der tiefste Ton liegende Töne zu unterdrücken. Andererseits sind digital arbeitende Schaltungsanordnungen für elektronische Musikinstrumente bekannt, die polyphone Spietweise ermöglichen. Als Beispiel sei

ίο auf die DE-OS 28 28 919 verwiesen. Die dort beschriebene Schaltung erlaubt sogar praktisch unbegrenzte Polyphonie, da jeder hörbaren Frequenz der chromatischen Tonleiter ein eigener Datenspeicher zugeordnet ist, weiche sämtlich im Zeitmultiplex sequentiell auslesbar sind. Das erzeugte Tongemisch kann im Grenzfall Informationen bezüglich aller spielbaren Töne enthalten. Allerdings muß dafür ein entsprechend hoher Schaltungsaufwand getrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte bekannte Schaltungsanordnung dahingehend weiterzubilden, daß das musikinstrument poiyphon spieibar ist, wobei jedoch der Schaltungsaufwand so gering sein soll, daß das Instrument als Anfänger- oder sogar Spielzeuginstrument marktfähig ist.

2> Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise soll zunächst das Prinzip der Erzeugung eines Einzeltones bei einer solchen Schal-

jo tung erläutert werden, wozu die im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmale dienen; danach wird auf die Maßnahmen eingegangen, die die Polyphonie ermöglichen.

Der vom Spieler verlangte Ton, also etwa eine

J5 angeschlagene Taste, wird durch eine Frequenzinformation repräsentiert, nämlich einen numerischen Wen — zweckmäßigerweise in Binärform —, der als Divisor einer Festfrequenz die Audiofrequenz des gewünschten Tons ergibt. Anders ausgedruckt, stellt dieser Divisor

•Ό ein Vielfaches der Periodendauer des zu erz-eugenden Tons dar, wobei die Multiplikator für alle Töne derselbe ist, nämlich die Periodendauer der Festfrequenz.

Für die eigentliche Tonerzeugung wird dieser numerische Wert in den Speicher eingegeben, der dann

•<5 als Rückwärtszähler mit den Impulsen der Festfrequenz leergezählt wird, und danach wieder mit einem neuen Divisor-Wert geladen wird; solange derselbe Ton erzeugt werden soll, wird auch derselbe Divisorwert wieder eingeschrieben, andernfalls der einem anderen Ton zugeordnete. Jedesmal, wenn ein neuer Ladevorgang erfolgt, oder die Leerzähl-Schaltung einen Zählstand Null feststell, wird z. B. ein Sägezahn-Generator getriggert, dessen Ausgangssignal dann in üblicher Weise mittels Filtern, spannungsgesteuerten Verstärkern usw. weiterverarbeitet werden kann. Die Verwendung eines Sägezahngenerators für diesen Zweck ist an sich bekannt aus dem Prospekt der Firma Intermetall »Integrierte Schaltungen für elektronische Musikinstrumente«, Ausgabe 1972. Um das Instrument polyphon

^b0 spielbar zu machen, sind mehrere Speicherplätze vorgesehen, die im Zeitmultiplex leergezählt werden, und dafür sind die Divisor-Werte in einem Zwischenspeicher festzuhalten. Es wird parallel mit dem eigentlichen Speicher von einem zyklisch arbeitenden Zähler über einen Multiplexer adressiert, der seinerseits von dem Taktgeber getriggert wird. Für ein Anfängeroder Spielzeuginstrument ist eine Polyphonie von sechs oder weniger Tönen ausreichend, und man kann

errechnen, daß die Frequenzfehler tragbar sind, wenn man die Festfrequenz in der Größenordnung von 20 KHz wählt und 8-Bit-Speicher verwendet.

Man erkennt, daß mit den angegebenen Daten der Schaltungsaufwand sehr gering ist und die gesamte Tonerzeugungsschaltung in einem einzigen handelsüblichen Microprocessor-Chip realisierbar sein kann, und zwar einschließlich der für die Polyphonie benötigten Speicher.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert wobei sich die Zusammenhänge deutlicher aus der nachstehenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels ergeben. Es wird dabei auf die Zeichnungen bezug genommen.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild der Anordnung, und

F i g. 2 stellt ein Zeitdiagramm der Funktionen dieser Schaltungsanordnung dar.

Fig.l zeigt eine schematisierte Blockdarstellung der Schaltungsanordnung.

Mittels der Abtast- und Umsetzerschaltung 1.0 werden in an sich bekannter Weise die Positionen dsi Bedienungselemente (Tastatur, Register) des Instruments abgetastet, und die erfaßten Informationen werden auf den Leitungen 12 und 14 ausgegeben. Auf der Leitung 12 erscheint ein Logikpegel entsprechend der Betätigung bzw. Nichtbetätigung der einzelnen Tasten; der Einfachheit halber sei angenommen, daß dem Pegel »1« die Betätigung der Taste zugeordnet ist. Auf Leitung 14 erscheint die der betreffenden Taste zugehörige Frequenzinformation in Form eines Datenwortes; es ist anzumerken, daß diese Information zeitlich variabel sein kann, um etwa einen Vibratoreffekt zu bewirken.

Die Frequenzinformation besteht im Ausführungsbeispiel aus acht Bit, was den dezimalen Maximalwert 255 ergibt. Multipliziert mit der Periodendauer eines noch zu erläuternden Taktgebers erhält man dann die Periodendauer des tiefsten spielbaren Tons. Läuft der Taktgeber mit beispielsweise 20 KHz, hat also eine Taktperiode von 50 μ5, so ergibt sich für die Periodendauer des tiefsten Tones die Zeitdauer von 12,75 ms entsprechend einer tiefsten Frequenz von etwa 78 Hz. Anders ausgedrückt ist der numerische Wert der Frequenzinformation der Divisor, durch den eine Taktfrequenz zu dividieren ist, um eine wiederzugebene Frequenz zu erhalten.

Bei einem Frequenzumfang des Instruments von z. B. dreieinhalb Oktaven sei als höchster Ton die Frequenz von 500 Hz angenommen. Mit dem Takt von 20 KHz erhält man einen Divisor von 40; das ist also der niedrigste vorkommende numerische Wert der Frequenzinformation, zugeordnet dem höchsten wiederzugebenden Ton. Die vorstehend genannten Zahlenwerte sind selbstverständlich nur ais Beispiel zu verstehen und man wird im allgemeinen eine chromatische Tastatur mit den entsprechenden bekannten Frequenzbeziehungen festzulegen versuchen; bei den angegebenen Zahlenwerten sind die Abweichungen von der chromatischen Stimmung tolerierbar.

Die beschriebene Frequenzinformation wird in der Schaltung 10 durch an sich bekannte Codeumsetzung gewonnen, wobei die Daten z. B. einem Festwertspeicher entnommen werden. Natürlich wird Binärform verwendet.

Es sei angenommer., daß eine Polyphonie von N Tönen vorgesehen wird, beispielsweise sechs Töne, was für sehr einfache Instrumente durchaus genügt. Das

bedeutet, daß die N Frequenzinformationen zwischengespeichert werden müssen, eine N + /ste jedoch entweder ignoriert bleibt oder die »älteste« gespeicherte ersetzt; welche Lösung man wählt, ist für die vorliegende Erfindung unerheblich. Es genügt festzuhatten, daß eine Logikschaltung 16 dafür sorgt, daß höchstens N Informationen an die nachstehend erläuterte Polyphonie-Schaltung übertragen werden und freiwerdende Speicherplätze rückgemeldet werden.

Die Polyphonie-Schaltung umfaßt drei Random-Speicher mit je N Speicherplätzen. Der Randomspetcher 18 speichert das Bit des Logikpegels auf Leitung 12, wobei die Adressierung für das Einschreiben über Leitung 19 und den Multiplexer 20 erfolgt Der homologe (gleichadressierte) Speicherplatz des Random-Speichers 22 wird mit dem Acht-Bit-Datenwort der Frequenzinformation belegt. Der Randomspeicher 24 schließlich kann hinsichtlich seines Speicherinhalts auf zweierlei Weise verändert werden: Entweder kann in ihn der Inhalt des homologen Speicherplatzes von Speicher 22 übertragen werden (was Zu. Voraussetzung hat, daß auch bei Speicher 24 je Speicherplatz acht Bit gespeichert werden können), oder aber der Speicherplatz kann dekrementiert werden, das heißt um eins vermindert und sofort wieder eingeschrieben werden.

Das Auslesen der Random-Speicher erfolgt mittels eines Taktgebers 26, der Zyklusstartimpulse liefert, und eines diesem nachgeschalteten Zählers 28 mit einer Zählerkapazität von N, der über den Multiplexer 20 in einem zweiten Zeitspalt desselben, die N Speieherplätze je einmal pro Zyklus des Taktgebers 26 adressiert.

Bei jeder Adressierung durch den Zähler 28 wird der entsprechende Speicherinhalt des Random-Speichers 16 an ein UND-Gatter 30 angelegt, das mithin nur dann entsperrt ist, wenn der Logikpegel in dem betreffenden Speicherplatz hochliegt, das heißt, die Betätigung irgendeiner Taste anzeigt; aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß keine feste Zuordnung zwischen den Tasten einerseits, den Speicherplätzen andererseits besteht, sondern die Speicherplätze in der Reihenfolge ihres Freiwerdens belegt werden, und die Identifikation der betreffenden Taste durch den Inhalt des Speichers 22 gegeben ist.

Zugleich mit dem Speicher 18 wird auch der Speicher 24 ausgelesen. Der Inhalt der Speicherplätze wird im Takt des Zählers 28 mittels einer Dekrementierschaltung 32 umd jeweils 1 vermindert und wieder in denselben Speicherplatz eingeschrieben, wobei der Multiplexer 34 für die richtige Zuordnung sorgt. Die Dekrementierschaltung 32 ist so ausgebildet, daß sie den Speicher 24 solange a!s »Abwärtszähler« arbeiten läßt, bis der »Zählstand« (der Speicherinhalt) des betreffenden Speicherplatzes Null beträgt. Die Dekrementierscha'tur^ 32 gibt dann auf Leitung 36 ein Logiksignal hohen Pegels ab, das als Steuersignal zum Multiplexer 34 übertragen wird, mit dem Ergebnis, daß der dann vorliegende Speicherinhalt des Random-Speichers 22 in den Speicher 24 übertragen wird. Wenn in der Zwischenzeit die betreffende Taste weiterhin angeschlagen blieb, ändert sich auch nicht der Speicherinhalt von Random-Speichef 22, und der Vorgang des »Leerzählers« im Speicher 24 läuft erneut ab. Wurde aber inzwischen der der Tastenanschlag beendet, dafür aber eine andere Taste angeschlagen, mit deren Frequenzinformation dir betreffende Speicherplatz in Speicher 22 belegt worden war, wird auch ein anderer numerischer Wert zum Speicher 24 übertragen. — Mit den oben angegebenen Daten ist die längste Zeitdauer,

die zum Lserzählcn eines Speicherplatzes im Random-Speicher 24 benötigt wird, gleich dem Produkt aus der maximalen Zählkapazität eines Speicherplatzes — bei acht Bit also 255 — und der Periodendaucr des Taktgebers 26, hier als 50 jis. Das ergibt 12,75 ms. eine Verzögerung, die musikalisch kaum stört.

Das Logiksignal auf Leitung 36 liegt am anderen Eingang des UND-Gatters 30. das also bei jedem neuen Einschreibvorgang des Random-Sperchcrs 24 ein hochliegendes Ausgangssignal abgibt, mittels dem ein monostabiler Multivibrator 38 getriggcrt wird. Dessen Ausgangsimpuls liegt an einem KC-Halb-T-Glied 40, an dem infolgedessen ein Sägezahnsignal erscheint. Die Sägezahnsignale, die bei dem sequentiellen Auslesen des Random-Speichers 24 erzeugt werden, überlagern einander und ergeben das analoge Tonsignnl. dns dann — gegebenenfalls über Filter, spannungssteuerbare Verstärker und so weiter — dem Lautsprechersystem zuzuführen ist.

Man erkennt, daß bei einem Speicherinhalt von 255 in einem Platz des Speichers 24 rjach jeweils 12,75 ms Jer Multivibrator 38 getriggert wird, das heißt, im Takt von ca. 78 Hz. Beträgt der Inhalt eines (andern) Speicherplatzes dagegen z. B. 87, so wird der" Multivibrator alle 87 · 50 (s angestoßen, das heißt, alle 4,35 ms oder mit ca. 230 Hz.

Zur Veranschaulichung zeigt F i g. 2 Ausschnitte aus einem entsprechenden Zeitdiagramm, bei dem drei Speicherplätze 24/1,24/2 und 24/4 mit den Frequenzinformationen »53«, »54« bzw. »55« belegt angenommen sind. Dargestellt sind, unterbrochen durch »ereignislose« und daher nicht gezeichnete Zeitperioden, drei aufeinanderfolgende Intervalle, in denen der Multivibrator 38 getriggert wird.

In dem Diagramm sind von oben nach unten aufgetragen:

(a) die Taktimpulse des Taktgebers 26,

(b) die Adressensignale des Zählers 28.

(c) das Entsperrsignal vom Random-Speicher 18,

(d) die »Zählstände« der Speicherplätze 24/1, 2, 4 in Dezimalform,

id (e) das Ausgangssignaides Multivibrators38,
(f) das Ausgangssignal des WC-Gliedes 40.

Man erkennt in diesem Diagramm auch in etwa, daß die Zeitkonstante des Sägezahns (f) so bemessen sein

i> wird, daß bei der niedrigsten vorgesehenen Frequenz (im Beispiel ca. 78 Hz) der Kondensator sich etwa innerhalb der Periodendauer von 12,75 ms gerade entlädt.

Da die im Random-Speicher 24 vorliegenden

-'» Divisoren für die Taktfrequenz nur ganze Zahlen sein können, werden sich gewisse Abweichungen der erzeugten Frequenzen von der chromatischen Stimmung nicht vermeiden lassen, doch liegen diese — wie sich leicht nachrechnen läßt — innerhalb der für ein

J"> einfaches Musikinstrument akzeptablen Grenzen.

Die dem WC-Netzwerk nachgeschalteten und hier nicht dargestellten Schaltkreise dienen in an sich bekanmer Weise der Amplitudenbeeinflussung, wie Anschwingen, Abklingen, Hüllkurvenveränderung: man

W kann das für diese Zwecke sehr geeignete Sägezahnsignal auch über mehrere unterschiedlich beeinflußte Ausgangskanäle geben, um Solostimme. Bass, Chorus usw. zu simulieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung fur ein elektronisches Musikinstrument mit einer Abtast- und Umsetzerschaltung, mittels der Tasten des Instruments abfragbar sind und eine dem jeweils verlangten Ton zugeordnete Frequenzinformation in Form eines numerischen Divisor-Wertes erzeugbar ist der in einen Speicher übertragen wird, welcher von einem Festfrequenz-Taktgeber leerzählbar ist, wobei jeder vollständige Zählvorgang ein Tonausgangssignal triggert, und wobei die Festfrequenz des Taktgebers einerseits, die numerischen Divisor-Werte andererseits derart festgelegt sind, daß das Tonausgangssignal im wesentlichen mit der Frequenz des verlangten Tons erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (24) mehrere, sequentiell auslesbare Speicherplätze aufweist, daß ein Zwischenspeicher (22) vorgesehen ist, in dem während «es Leerzählvorgangs der numerische Divisor-Wert gehaiten ist, und daß dem Taktgeber (26) ein zyklisch arbeitender Zähler (28) mit einer Zählkapazität gleich der Anzahl der Speicherplätze, nachgeschaltet ist, der von dem Taktgeber (26) triggerbar ist und die Abwärtszählimpulse für aile Speicherplätze des Speichers (24) liefert.

2.Schaltungsanordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Festfrequenz von etwa 20 KHz und einen 8-Bit-Speicher.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Triggerung des Tonausgangssignals ein monostabiler Multivibrator (38) mit nachgeschahetem /?C-Netzwerk zum Erzeugen eines Sägezahn-Signals vorgeseh/"η ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Entsperrschaltkreis (18) zum Erzeugen eines Entsperrsignals für den Multivibrator während der Betätigung einer Taste des Instruments.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entsperrschaltkreis als HilfsSpeicher (18) mit derselben Anzahl von Speicherplätzen ausgebildet ist, wie der Speicher und der Zwischenspeicher, wobei die Hilfsspeicherplätze, die den Speicher- und Zwischenspeicherplätzen zugeordneten Entsperrsignale halten, und daß der Hilfsspeicher synchron mit dem Speicher adressierbar ist.