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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur ampli-
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tudenkontrollierten Erzeugung eines akustischen Signals mittels einer
z.B. ein Frequenzspektrum angebenden Folge digitaler Signale, die in einen analogen
Signalverlauf umgesetzt werden, mit dem ein elektroakustischer Wandler angesteuert
wird.
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Es ist bereits bekannt, das Frequenzspektrum eines akustischen Signals
bzw. eines Klangs in Form digitaler Signale zu speichern und diese digitalen Signale
zur Erzeugung des durch sie bestimmten akustischen Signals jeweils zyklisch auszulesen
und in eine Analogsignalfolge umzusetzen. Diese kann dann verstärkt und über einen
Lautsprecher als elektroakustischer Wandler wiedergegeben werden.
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Zur Digital-Analogumsetzung sind Schaltungsanordnungen bekannt, die
mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker arbeiten, an dessen Eingang entsprechend
unterschiedlichen digitalen Werten gestufte Stromzweige angeschaltet werden können,
die durch eine Referenzspannungsquelle gespeist werden. Am Ausgang des Operationsverstärkers
wird dann eine Spannung abgegeben, die proportional dem am Eingang jeweils eingestellten
Strom ist.
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Dieses bekannte Prinzip der Digital-Analogumsetzung und anschließenden
Verstärkung eines a]custischen Signals erfordert eine relativ hohe Betriebsspannung.
Es eignet sich nicht für niedrige Betriebsspannungswerte in der Größenordnung von
etwa 1 bis 2 V, wie sie in Kleingeräten zur Speisung integrierter Schaltungen zur
Verfügung stehen. Ein entsprechender Anwendungsfall ist die Klangerzeugung zwecks
Signalgabe in einer Armbanduhr.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur amplitudenkontrollierten
Erzeugung eines akustischen Signals anzugeben, für die eine nur geringe Betriebsspannung
in der Größenordnung von 1 V ausreicht und die sich darüber hinaus auch zum Aufbau
in integrierter Technik eignet.
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Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung eingangs genannter
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes digitale Signal die Einschaltung eines
ihm entsprechenden analogen Stromwertes als Basisstrom eines bipolaren Transistors
steuert, der mit dem elektroakustischen Wandler in Reihe geschaltet ist.
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Bei einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung ergibt sich bei niedriger
Betriebsspannung eine ausreichende Leistungsaufnahme des akustischen Wandlers.Wenn
dieser ein Lautsprecher mit einem Innenwiderstand von 8 Ohm ist, so nimmt er in
Reihenschaltung mit einem Transistor bei einer Betriebsspannung von 1,2 V eine Leistung
von ca. 125 mW auf. Diese reicht zur gut hörbaren Abgabe eines akustischen Signals
aus. Die Steuerung des bipolaren Transistors erfolgt durch die gemäß der Erfindung
vorgesehene Einschaltung entsprechender analoger Stromwerte durch die digitalen
Signale. Es handelt sich dabei also um schaltbare Stromquellen unterschiedlicher
Stromwerte, die durch die digitalen Signale ausgewählt werden.
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Dadurch ist eine besondere Referenzspannungsquelle nicht erforderlich,
denn für eine Umschaltung der Stromwerte bei der Ansteuerung des bipolaren Transistors
kommt es nicht auf die absoluten Stromwerte, sondern lediglich auf deren Verhältnis
zueinander an, um entsprechende Änderungen des Arbeitsstroms des bipolaren Transistors
zu erreichen.
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Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung eignet sich somit besonders
für den Aufbau in integrierter Schaltungstechnik, denn sie besteht aus einfachen
Schaltelementen und benötigt keine hohen Betriebsspannungen. Ein besonderer Operationsverstärker
zur Digital-Analogumsetzung ist nicht erforderlich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zur Einschaltung mehrerer
unterschiedlicher Stromwerte mehrere wahl weise wirksam schaltbare Basisstromzweige
vorgesehen, deren Widerstand jeweils entsprechend einem vorgegebenen Basisstromwert
bemessen ist. Diese Weiterbildung macht es möglich, durch Bemessung der Widerstandswerte
der Basisstromzweige auch eine Nichtlinearität des bipolaren Transistors auszugleichen.
Sind in den Basisstromzweigen beispielsweise ohmsche Widerstände vorgesehen, so
erfolgt dieser Ausgleich durch geeignete Wahl ihrer Widerstandswerte. Ebenso ist
es jedoch auch möglich, anstelle ohmscher Widerstände entsprechend dimensionierte
Transistoren zu verwenden, so daß durch sie die Widerstandsfunktion und die Schaltfunktion
zur Einschaltung des jeweiligen Stromzweiges in ein und demselben Element verwirklicht
ist.
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Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann im Basisstromzweig
so erweitert werden, daß nicht nur die Erzeugung des akustischen Signals, sondern
auch sein Abklingen oder Anschwellen möglich wird. Hierzu ist die Schaltungsanordnung
derart weiter ausgebildet, daß der jeweils wirksam schaltbare Basisstromzweig zwei
Widerstände enthält, die jeweils zu einer Gruppe von n bzw. m Widerständen gehören,
von denen die eine Gruppe in vorgegebener Reihenfolge ihrer Widerstände entsprechend
einem Abklingen
oder Anschwellen des akustischen Signals und die
andere Gruppe durch die Folge digitaler Signale wirksam schaltbar ist. Wenn bei
dieser Weiterbildung beispielsweise ein Zähler zum zyklischen Einschalten der Basisstromzweige
der erstgenannten Art vorgesehen ist und die Widerstände dieser Basisstromzweige
fortlaufend mit ansteigenden Werten bemessen sind, so ergibt sich zusätzlich zu
der Amplitudensteuerung durch die digitalen Signale in den Stromzweigen der zweitgenannten
Art eine Amplitudensteuerung entsprechend einer Dämpfung oder einem Anschwellen
je nach der Charakteristik, gemäß der der Zähler die Stromzweige erstgenannter Art
auswählt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie mögliche Weiterbildungen
ergeben sich aus der folgenden Erläuterung anhand der Figuren. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Schaltungsanordnung zur
Umsetzung digitaler Werte in analoge Stromwerte, Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form einer Schaltungsanordnung ähnlich Fig. 1, bei der jedoch zusätzlich
ein Abklingen bzw. Anschwellen des erzeugten akustischen Signals möglich ist, Fig.
3 die Blockdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form
einer Schaltungsanordnung, die nach dem in Fig. 2 gezeigten Prinzip arbeitet, jedoch
die gleichzeitige Erzeugung mehrerer akustischer Signale bzw. Töne als Klang ermöglicht
und
Fig. 4 eine charakteristische Abklingkurve, die bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 2 und 3 verwirklicht werden kann.
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In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur amplitudengesteuerten Erzeugung
eines akustischen Signals dargestellt, die im wesentlichen als ein Analog-Digitalumsetzer
arbeitet und von einem Nur-Lese-Speicher bzw. Festwertspeicher ROM angesteuert wird.
Dieser Speicher ROM enthält ein in Form digitaler Werte in an sich bekannter Weise
gespeichertes Klangspektrum. Die digitalen Werte werden an den Ausgängen 1 bis n
zyklisch ausgelesen, wobei die Reihenfolge dieses Auslesens durch einen Adressierzähler
ADC gesteuert wird. Durch Ändern der Auslesegeschwindigkeit kann die Frequenz des
in Form digitaler Werte gespeicherten Klangspektrums verschoben werden, was gleichfalls
bereits für sich bekannt ist.
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zur Umsetzung der an den Ausgängen 1 bis n ausgelesenen digitalen
Werte dient ein Netzwerk, das aus Widerständen R1 bis Rn und mit diesen in Reihe
geschalteten Transmissionsgattern G1 bis Gn besteht. Dieses Netzwerk ist im Basisstromkreis
eines Transistors T angeordnet, mit dem ein Lautsprecher L in Reihe an das Betriebsspannungspotential
V bzw. an Bezugspotential angeschaltet ist. Bei Ansteuerung eines der Transmissionsgatter
Gl bis Gn durch einen digitalen Wert an einem der Ausgänge 1 bis n des Speichers
RON wird das jeweilige Transmissionsgatter G1 bis Gn durchgeschaltet, so daß ein
oder ggf. auch mehrere Stromzweige mit jeweils einem Widerstand R1 bis Rn in den
Basisstromkreis des Transistors T eingeschaltet werden.
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Dadurch wird der Effekt einer umschaltbaren Stromquelle im Basisstromkreis
erzeugt, womit der Basisstrom des Transistors je nach eingeschalteten Widerständen
R1 bis Rn
variiert wird und der Kollektorstrom, der durch den Lautsprecher
L fließt, einen entsprechend analog-variablen Verlauf erhält.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung arbeitet z.B. mit einer Betriebsspannung
von 1,2 V, so daß der Lautsprecher L bei einem Innenwiderstand von 8 Ohm eine Leistungsaufnahme
von 125 mW hat. Die Schaltung eignet sich wegen ihrer Einfachheit sehr gut zum integrierten
Aufbau. Die Transmissionsgatter G1 bis Gn können dann beispielsweise in CMOS-Technik
aufgebaut sein. Entsprechende Lösungen sind dem Fachmann bekannt. Es ist auch möglich,
anstelle jeweils eines ohmschen Widerstandes R1 bis Rn und eines Transmissionsgatters
G1 bis Gn in jedem Stromzweig einen Schalttransistor anzuordnen, der durch die digitalen
Werte an den Ausgängen 1 bis n des Speichers ROM angesteuert wird und dessen Innenwiderstand
entsprechend dem jeweils erforderlichen Widerstandswert bemessen ist. Auch eine
solche Lösung kann vom Fachmann in integrierter Technik leicht realisiert werden.
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Die Widerstände R1 bis Rn können Widerstandswerte haben, die im Verhältnis
1:2:4 ... 2 zueinander stehen. Auf diese Weise erhält man einen Digital-Analogumsetzer,
der die Umwandlung eines Dualwertes oder eines natürlichen, binärcodierten Dezimalwertes
ermöglicht. Abweichend von diesem Verhältnis der Widerstandswerte sind die Widerstände
R1 bis Rn vorteilhaft so dimensioniert, daß durch sie die Nichtlinearität der Verstärkung
des Transistors T berücksichtigt wird. Diese Nichtlinearität kann nämlich durch
geeignete Wahl der Widerstandswerte ausgeglichen werden.
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In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, deren unterer
Teil mit Widerständen Rlb bis Rnb und Transmissionsgattern Glb bis Cnb der in Fig.
1 gezeigten Schaltung entspricht und deren oberer Teil ein gesteuertes Anschwellen
oder Abklingen des akustischen Signals ermöglicht. Bei der elektronischen Erzeugung
von Klängen, z.B. des Klanges einer Glocke oder eines angeschlagenen Stabes, ist
es nämlich erforderlich, die Amplitude des akustischen Signals abhängig von der
Zeit derart zu steuern, daß sie dem Amplitudenverlauf des mechanischen, ZU imitierenden
Originalinstruments möglichst genau entspricht. Es ist bereits bekannt, zum Abklingen
akustischer Signale eine Kondensatorentladung zu verwenden und mit dem Entladestrom
oder der Entladespannung den Verstärkungsfaktor eines Verstärkers zu steuern. Die
in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung ermöglicht nun mit dem oberen Netzwerk aus
Widerständen Rla bis Rma und Transmissionsgattern Gla bis Gma eine Steuerung der
Digital-Analogumsetzung im unteren Netzwerk so, daß ein Anschwellen oder Abklingen
des mit dem Lautsprecher L wiedergegebenen akustischen Signals möglich ist. Hierzu
ist ein Abklingzähler TC mit Ausgängen 1 bis m vorgesehen, der beispielsweise ein
Schieberegister sein kann. Dieser Zähler steuert mit seinen Ausgangssignalen an
den Ausgängen 1 bis m sequentiell die Transmissionsgatter Gla bis Gma an und bewirkt
dadurch nacheinander die Einschaltung eines oder mehrerer Widerstand de R1a bis
Rma. Wenn die Widerstandswerte der Widerstände Rla bis Rma fortlaufend zunehmen,
so wird bei fortlaufenm der Ansteuerung der mit ihnen in Reihe geschalteten Transmissionsgatter
G9a bis Gma an dem in Fig 2 gezeigte ten unteren Netzwerk mit den Widerständen Rib
bis Rnb und den Transmissionsgattern Glb bis Gnb eine fortlaufend
niedrigere
Spannung abfallen. Dadurch wird es möglich, einen Klang, der mit dem unteren, in
Fig. 2 gezeigten Netzwerk aus in dem Speicher ROM gespeicherten digitalen Werten
erzeugt wird, stufenweise anschwellen oder abklingen zu lassen, je nachdem, in welcher
Reihenfolge die Widerstände Rla bis Rma durch den Zähler TC wirksam geschaltet werden.
Die Uebergänge von einer Schaltstufe zur anderen werden mit einem Kondensator C
geglättet, der zwischen den Verbindungspunkt der beiden Netzwerke und den Emitter
des Transistors T bzw. Bezugspotential geschaltet ist. Die Obergänge zwischen den
einzelnen Schaltstufen erfolgen dann mit einer Zeitkonstanten, die durch die Kapazität
des Kondensators C, den jeweils wirksamen Widerstand R1B bis Rnb des unteren Netzwerks
und den jeweils wirksamen Widerstand Rla bis Rma des oberen Netzwerks bestimmt ist.
Im folgenden wird anhand der Fig. 4 noch erläutert, wie die Widerstände R1a bis
Rma zu dimensionieren sind, um einen besonders vorteilhaften Verlauf einer Abklingkurve
zu erreichen.
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In Fig. 3 ist in Blockdarstellung eine Schaltungsanordnung dargestellt,
die das in Fig. 2 gezeigte Prinzip verkörpert, wobei jedoch zur Klangerzeugung mehrere
Anordnunyen .us einem Nur-Lese-Speicher ROM und einem Digital-Analogumsetzer einander
parallelgeschaltet sind, die durch einen gemeinsamen Adressierzähler ADC angesteuert
werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei derartige Anordnungen vorgesehen.
Sie bieten den Vorteil der möglichst naturgetreuen Simulation eines Klanges, der
mit einem mechanischen Instrument erzeugt wird. Derartige Instrumente haben die
Eigenschaft, bei Anschlagen eines Tons auch andere Töne mit verringerter Amplitude
anzuregen. Ferner enden die angeschlagenen Töne
bei Anschlagen
des nächsten Tones nicht abrupt, sondern sie zeigen ein Ausschwingverhalten. Werden
nun mehrere Anordnungen aus einem Klangspeicher ROM und einem Digital-Analogumsetzer
D/A verwendet, gleichzeitig aber nur eine Abklingkurve diesen mehreren Anordnungen
überlagert, so kann bei geeigneter Anpassung der Amplitudenverhältnisse der einander
parallelgeschaltt Anordnungen zueinander ein natürlich erscheinendes Klangbild erzielt
werden.
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In Fig. 3 ist der Parallelschaltung der drei aus einem Speicher ROM
und einem Digital-Umsetzer D/A bestehenden Anordnungen ein gemeinsames Netzwerk
zur Erzeugung einer Abkling- oder Anschwellkurve vorgeschaltet, das gleichfalls
einen Digital-Analogumsetzer D/A darstellt und wie in Fig. 2 gezeigt durch einen
Abklingzähler TC gesteuert wird Ein Kondensator C zum Glätten der Übergänge zwischen
den Abklingstufen ist zwischen den Emitter und den Basisstromkreis des Transistors
T geschaltet.
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In Fig. 4 ist eine Abklingkurve dargestellt, wie sie in einer Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 und 3 erzielt werden kann. Abhängig von der Zeit kann der Lautsprecherstrom
JL ausgehend von einem maximalen Wert in mehreren Stufen bis zu sehr geringen Werten
abfallen, bis er schließlich den Wert Null erreicht. Es ist beispielsweise möglich,
bei acht Abklingstufen für die ersten vier Stufen jeweils eine verringerung der
Ausgangsspannung am Lautsprecher um 5 dB und für die nächsten vier Stufen eine Verringerung
der Ausgangsspannung am Lautsprecher um 3 dB vorzunehmen. Die Übergänge zwischen
den einzelnen Stufen sind nicht hörbar, da sie durch den jeweils vorgesehenen Glättungskondensator
C ausgeglichen werden.
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Dabei kann die letzte Abklingstufe durch die Entladung des Glättungskondensators
C dargestellt werden, wobei
dann ein unendlicher hoher bzw. kein
Widerstand des Abklingnetzwerks in den Basisstromkreis des Transistors T eingeschaltet
wird. Der letzte Ton einer auf diese Weise gesteuerten Tonfolge reißt also nicht
abrupt ab, sondern klingt aus. Es ist auch möglich, nicht einen monotonen Abklingvorgang
zu erzeugen, sondern einen nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erzeugten Klang mehrmals
ansteigen und abfallen zu lassen, wodurch Schwebungen simuliert werden können.
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Durch gleichzeitiges Wirksamschalten mehrerer für das Abklingnetzwerk
vorgesehener Widerstände, also von Widerständen Rla bis Rma in der in Fig. 2 gezeigten
Schaltung, kann mit relativ wenigen Widerstandswerten eine vielstufige Abklingkurve
realisiert werden. So ist es beisLJielsweise möglich, flit fünf Widerstandswerten
ein neunstufiges Abklingen zu erzeugen.
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