Die Erfindung betrifft einen elektronischen Klangsignalgenerator nach dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs
1.
Eine Einrichtung dieser Art ist z. B. aus der US-PS 33 241 bekannt. Eine ähnliche Einrichtung, die zusammen
mit einer Uhr eingesetzt wird und zur Erzeugung von Klangsignalen zu bestimmten Zeiten dient ist
durch die DE-OS 29 39 401 bekannt
Die vorbekannten Einrichtungen eignen sich nur schlecht zur Herstellung in integrierter Technik, da sie
einen hohen schaltungstechnischen Aufwand bedingen bzw. im Zuge der Klangsignalerzeugung analog arbeitende
Funktionselemente benötigen (DE-OS 29 39 401). Nachteilig ist außerdem, daß der natürliche Kiangeindruck,
den mechanische Klangerzeuger hervorrufen, durch die elektronischen Klangsignalgeneratoren nur
annähernd verwirklicht werden kann. Soll ein Mehrklang
aus verschiedenen Klangsignalen erzeugt werden, so vergrößert sich der schaltungstechnische Aufwand
am einen entsprechenden Faktor. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Klangsignalgenerator
anzugeben, der sich besser als bishenge
Lösungen zum Aufbau in integrierter Techuik eignet und gleichzeitig eine bessere Simulation des Klangeindrucks
mechanischer Klanggeneratoren gewährleistet
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ermöglicht in sehr einfacher Weise eine weitestgehende Annäherung an den natürlichen
Klangeindruck, den ein mechanischer Klanggenerator erzeugt Durch das Auslesen des zweiten Amplitudenspeichers
mit einer Zyklusfrequenz, die dem jeweils vorhergehenden Auslesevorgang des ersten Amplitudenspeichers
entspricht wird der Effekt erreicht daß während einer Klangerzeugung der vorhergehend erzeugte
Klang nochmals erzeugt wird und der Eindruck entsteht daß dieser vorhergehend erzeugte Klang weiterbesteht
bzw. ausklingt. Die aus den beiden Amplitudenspeichern ausgelesenen digitalen Amplitudenwerte
werden nach Summierung einem Pulslängenmodulator zugeführt, der eine sehr einfache und leicht in integrierter
Technik zu verwirklichende Vorrichtung zur Digital-Analogumsetzung
darstellt Auf dbse Weise wird bei
möglichst langer Beibehaltung digitaler Signale ein sehr einfaches Schaltungsprinzip verwirklicht das trotz seiner
Einfachheit natürlichere Klänge erzeugt als es bisher nur mit höherem Aufwand möglich war.
Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ermöglicht in sehr einfacher Weise die Bildung eines
Mehrklanges aus gleichzeitig erzeugten verschiedenen Einzelklängen, denn das erfindungsgemäße Prinzip der
parallelen Arbeitsweise mehrerer Amplitudenspeicher und der Digital-Analogumsetzung durch einen Pulslängenmodulator
arbeitet unabhängig davon, ob Einzelklänge oder Mischklänge aus den ausgelesenen Ampliti'denwerten
erzeugt werden.
Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht eine weitere Annäherung an den natürlichen Klangeindruck,
denn v/enn parallel zum Auslesen des ersten Amplitudenspeichers ein gleichartiges Auslesen mit geringfügig
veränderter Zyklusfrequenz erfolgt, so ergibt sich ein Schwebungseffekt mit einer Frequenz von beispielsweise
2 bis 16 Hz, wie er auch bei mechanischen Klangerzeugern auftritt.
Die Weiterbildung nach Anspruch 4 führt dazu, daß der Eindruck des Ausklingens des jeweils vorhergehend
erzeugten Klanges weiter verbessert wird. Gleiches gilt für die Weiterbildung nach Anspruch 5.
Eine besonders einfache schaltungstechnische Realisierung des Pulslängenmodulators ist durch die Weiterbildung
nach Anspruch 6 gegeben. Da der zyklisch arbeitende Binärzähler einen Komparator ansteuert, wird
immer dann, wenn der Zählerstand des Binärzählers dem momentanen digitalen Amplitudenwert am anderen
Eingang des !Comparators entspricht, ein. Signal abgegeben,
mit dem die Audioschaltung ein- oder ausgeschaltet werden kann. Das Ausgangssignal des !Comparators
hat auf diese Weise eine dem jeweiligen Zählerstand des Binärzählers proportionale Länge.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur weiter erläutert, die ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen
Klangsignalgenerators in Verbindung mit einer Uhrenschaitung zeigt.
Die Figur zeigt als Signalsteuerschaltung eine digitale
Uhrenschaltung I, die Zeitsignale zur Auslösung von Klangsignalen zu bestimmten Zeiten abgibt. Der Klangsignalgenerator
wird durch diese Zeitsignale angesteuert und liefert seinerseits Signale an eine Audioschaltung
2 mit einem elektroakustischen Wandler 3. Die eigentliche Klangerzeugungsschaltung enthalt mehrere
Amplitudenspeicher 4.1,4.2,43,4.4, die durch definierte
und gegeneinander abgegrenzte Bereiche eines größeren Speichers gebildet sein können. Diese Ampütudenspeicher
sind vorzugsweise Festwertspeicher (ROM),
können aber auch programmierbare Festwertspeicher (EPROM) sein. Die Amplitudenspeicher enthalten an
ihren einzelnen Speicherstellen, die durch Speicheradressen 5 erreichbar sind, digitale Zahlenwerte, die einer
Folge diskreter Amplitudenwerte einer Periode einer Grundschwingung entsprechen, der Oberwellen
überlagert sind. Eine entsprechende Darstellung zeigt die Figur für den ersten Ampiitudenspeicher 4.1.
Das periodische Auslesen der Amplitudenwerte erfolgt durch periodisches Ansteuern der Speicheradressen
5.1,5.2,53,5.4 mittels einer Adressenzählschaltung
6.1,6.2,63,6.4. Dadurch wird ein Klang, bestehend aus
einer Grnndschwingung und Oberwellen, erzeugt, wobei
die Frequenz des Durchlaufens der Folge von Speicheradressen jeweils die Frequenz der Grundschwingung
und damit die Grundfrequenz der Oberwellen ist
Soll nach mehreren Perioden der Grundschwingung auf eine andere Grundschwingung übergegangen werden,
wodurch sich ein geänderter Klang ergibt, so wird lediglich der Amplitudenspeicher 4.1 aus seirem Adressenzähler
6.1 mittels seiner Speicheradressen 5.1 mit entsprechend geänderter Frequenz adressiert, d. h. die
Speicherzugriffe werden gegenüber dem vorherigen Klang beschleunigt oder verzögert.
Die Uhrenschaltung 1 steuert diese Vorgänge über einen Taktgenerator 20, dar seinerseits Taktsignale an
die jeweilige Adressenzählschaltung 6, eine digitale Summierstufe 7, einen Pujslängenmodulator 9 und eine
noch zu beschreibende Abklingsteuerschaltung 19 abgibt. Der Taktgenerator 20 kann eine Frequenzteilerkette
enthalten, an der Taktimpulse unterschiedlicher Frequenzen abgegriffen werden können. Die Uhrenschaltung
1 steuert auch einen Zeitsignalspeicher 27, in dem digitale Kennwerte für die Folge von Klangsignalen
abgespeichert sind, die als Stundeninformationen akustisch abgegeben werden sollen. Ein von der Uhrenschaltung
1 gesteuerter Melodienspeicher 24 enthält digitale Kennwerte einer Tonfolge entsprechend einer als
Klangsignal abzugebenden Melodie, also das Programm zur Erzeugung des jeweiligen Klangsignals.
Der zweite Amplitudenspeicher 4.2 enthält weitgehend
die gleiche Folge von Amplitudenwerten wie der erste Amplitudenspeicher 4.1. Er wird jedoch während
des Auslesens des ersten Amplitudenspeichers 4.1 mittels seines Adressenzätfiers 6.2 mit einer Frequenz
adressiert, die der Zyklusfrequenz bei der gerade vorhergehenden Adressierung des Amplitudenspeichers
4.1 entspricht Dabei kann in noch zu beschreibender Weise die Folge der Amplitudenwerte, die aus dem
zweiten Ampiitudenspeicher 4.2 ausgelesen werden, etwas
modifiziert werden, um das Ausklingverhalten des vorhergehend erzeugten Klanges natürlicher zu gestalten.
Hierzu kann insbesondere eine Verringerung der der Grundwelle zugeordneten Amplitudenwerte und
gegebenenfalls auch eine dagegen überproportionale
ίο Verringerung der den Oberwellen zugeordneten Amplitudenwerte
durchgeführt werden.
Der mit dem zweiten Ampiitudenspeicher 4.2 erzielbare
Effekt besteht darin, daß eine Überlagerung des jeweils zu erzeugenden Klanges mit dem jeweils vorher
erzeugten Klang zu einem natürlicheren Klangeindruck führt, wodurch sich das insgesamt erzeugte Klangbild
demjenigen eines mechanischen Klangerzeugers weiter annähert
Die zeitliche und die amplitudenmäßige Oberlagerung
der aus den beiden Amplitude/^peichern 4.1 und
4.2 ausgdescnen Ampütudenwerte srfolgt in einem
taktgesteuerten Digitalsummierer 7. Dieser kann aus Binäraddierern 8 aufgebaut sein. Er kann jedoch auch
aus Komparatoren aufgebaut sein, die gleichzeitig in noch zu beschreibender Weise die Wirkung eines PuIslängenmodulators
haben.
Bei Verwendung von Binäraddierern 8 sind zweckmäßig Datenworte konstanter Länge vorgesehen. Da die
Summe zweier Binärzahlen zur Erhöbung der Datenwortlänge um ein Bit führen kann, sind im Digitalsummierer
7 zweckmäßig Maßnahmen vorgesehen, um entweder bei den zu summierenden Amplitudenwerten
oder bei den Signalsummen das Bit niedrigster Wertigkeit zu unterdrücken.
Wenn der Klangsignalgenerator in Verbindung mit einer Uhrenschaltung ein Stundensignal abgeben soll,
das aus einer die aktuelle Uhrzeit angebenden Anzahl untereinander gleicher Mehrklänge besteht, so können
mehrere Ampiitudenspeicher von der Art des Amplitudenspeichers 4.1 parallel zueinander arbeiten. Diese
wer Jen dann mit unterschiedlichen Zyklusfrequenzen adressiert bzw. ausgelesen. Bei dem in der Figur gezeigten
Ausführungsbeispiel ist jedoch nur ein zusätzlicher Ampiitudenspeicher 43 vorgesehen, in dem eine Folge
von Amplitudenwerten gespeichert ist, die einem Mehrklang zugeordnet sind. Es handelt sich dabei also
um die Überlagerung der Grundwellen unterschiedlicher Töne sowie ihrer gewünschten Oberwellen. Weil in
dieser Amplitudenwertverteilung dann schon alle
so Grundwellen des zu erzeugenden Mehrklangs enthalten sind, muß lediglich der Ampiitudenspeicher 43 über seine
Speicheradressen 53 aus seinem Adressenzähler 63 adressiert werden, wobei die Adressierfrequenz dem
tiefsten Grundton des Mehrklanges entspricht.
Für den Klangei/vlruck mechanischer Klangerzeuger
ist neben dem zeitlichen Überlappen eines gerade erzeugten Klanges mit dem zuvor erzeugten Klang eine
zusätzliche Lautstärkemodulation auf Grund zeitlich variierender Freqjenz- und Phasensprünge maßgebend.
Um auch dieses charakteristische Merkmal zu erzeugen, ist in der Figur ein vierter Amplitudenjpeicher
4.4 vorgesehen, der die Überlagerung das jeweils erzeugten Klanges mit einem geringfügig frequenzverschobenen
Klang ermöglich. In dem Ampliiudenspeieher
4.4 ist weitgehend die gleiche Folge vor* Amplitudenwerten
gespeichert, wie sie der erste Affiplitudenspeicher 4.1 enthält. Wenn diese Folge von Afiplitudenwerten
mit geringfügig anderer Frequenz der1 Amplitu-
denwerten aus dem ersten Amplitudenspeicher 4.1 überlagert wird, so ergibt sich eine Schwebung mit einer
Frequenz von ca. 2 bis 16 Hz. Hierzu kann der vierte Amplitudenspeicher 4.4 jnit geringfügig veränderter
Frequenz adressiert werden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß in dem Adressenzähler 6,4, der
gleichartig wie die anderen Adressenzähler aufgebaut ist, ein Zählschritt übersprungen wird, dabei die Taktsteuerung
aber aus dem Adressenzähler 6.1 abgeleitet wird. ίο
Wenn der Digitalsummierer 7 mit Binäraddierern 8 aufgebaut ist, gibt er eine Folge binärer Datenworte ab,
die jeweils dem Augenblickswert der einander überlagerten Amplitudenwerte aus den Amplitudenspeichern
4.1, 4.2, 43, 4.4 entsprechen. Diese Datenworte werden dem nachgeschalteten Pulslängenmodulator 9 zugeführt,
in dem sie nacheinander auf den einen Eingang eines !Comparators IO geführt werden, dessen zweiter
Eingang durch einen Binärzähler 11 angesteuert wird.
Mit der Übernahme von Daienworten aus dem Digitalsummierer
7 und damit jeweils mit Freigabe des (Comparators 10 wird der Binärzähler 11 rückgesetzt
und gestartet. Der Komparator 10 liefert zum Beispiel so lange ein Ausgangssignal, bis der Binärzähler 11 einen
Zählerstand erreicht, der dem Binärwert des aus dem Digitalsummierer 7 gerade übernommenen Datenwortes
entspricht. In diesem Moment wird das Ausgangssignal des Komparators 10 umgeschaltet Damit
entsteht am Ausgang des Pulslängenmodulators 9 ein Impulssignal, dessen Länge innerhalb des vom Auswertetakt
bestimmten Zeitrasters proportional dem Binärwert des Datenwortes aus dem Digitalsummierer und
damit proportional der Summe der aus den Amplitudenspeichern 4 ausgelesenen Amplitudenwerte ist.
Dieses Signal, welches so lange abgegeben wird, bis der Binärzähler 11 die Umschaltung des Komparators
i0 bcwirki, diem als Steuersignal für einen elektronischen
Schalter 12, der in der Figur als mechanischer Schaltkontakt dargestellt ist, jedoch auch beispielsweise
als CMOS-Transmissiongate realisiert sein kann. Die Schalterbetätigung entspricht dem durch die Pulslängenmodulation
gekennzeichneten Klangspektrum des aktuellen abzugebenden Klanges, was bedeutet, daß die
mit dem Schalter 12 an eine Energiequelle 13 anzuschaltende Audioschaltung 2 über den elektroakustischer!
Wandler 3 den jeweils aktuellen Klang abgibt.
Bei der Ansteuerung der Audioschaltung 2 kann zusätzlich
das Abklingverhalten eines mechanischen Klangerzeugers weitgehend realisiert werden. Dazu ist
bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel eine Abklingschaltung 14 vorgesehen, die im wesentlichen
ein Widerstandsnetzwerk 15 in Serien- oder Parallelschaltung enthält, dessen wirksamer Widerstandswert
zeitabhängig schrittweise entsprechend einer abklingenden Exponentialfunktion vergrößert wird. Immer
dann, wenn das Auslesen der Amplitudenspeicher 4 zur Erzeugung eines neuen Klanges gestartet wird, erfolgt
auch eine exponentielle Verringerung der mit der Audioschaltung
2 abgegebenen Klangamplitude, so daß jeder abgegebene Klang einer Klangfolge zeitabhängig
gedämpft wird. Um einen gleitenden Obergang zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen der Abklingfunktion
zu erzielen, wird ein Kondensator 16 über das Widerstandsnetzwerk 15 aufgeladen und über den
Schalter 12 und eine Transistorstufc der Audioscha'Uing
entladen.
Die Audioschaltung 2 enthält auch einen Tiefpaß 18 zur Unterdrückung höherfrequenter Signalkomponenten,
wie sie insbesondere durch die Digital-Analogumsetzung im Pulslängenmodulator 9 auftreten können.
Während die Audioschaltung 2 zusammen mit diesem Tiefpaß 18 in diskreter Schaltungstechnik verwirklicht
sein kann, kann das Widerstandsnetzwerk 15 integriert sein, so daß es dann z. B. in Form integrierter Transistorelemente
unterschiedlicher Dimensionierung aufgebaut ist. Die Einschaltung solcher Elemente erfolgt über die
bereits erwähnte Abklingsteuerschaltung 19, zeitlich gesteuert durch die Taktsignale des Taktgenerators 20.
Die dem ersten Amplitudenspeicher 4.1 zugeordnete Adressenzählschaltung 6.1 enthält einen binären Adressenzähler
22, der mit variabler Zählimpulsfrequenz gesteuert wird und dessen Zählvolumen dem Adreßvolumen
des Amplitudenspeichers 4.1 entspricht. Wird das Zählvolumen schnell durchlaufen, so wird der Amplitudenspeicher
4.1 schnell ausgelesen, wobei die Folge ausgelesener Amplitudenwerte einer Grundschwingung
mit höherer Frequenz und entsprechenden harmonischen Schwingungen entspricht. Wird dem Adressenzähler
22 eine niedrigere Zählimpulsfolgefrequenz zugeführt, so ergibt sich eine entsprechend tiefere Grundschwingung.
Dem Adressenzähler 22 ist ein einstellbarer Zählpulsfolgegeber 23 vorgeschaltet. Die Zählimpuisfoigefrequenz
wird durch den Melodienspeicher 24 vorgegeben, der das bereits erwähnte Programm für die
Klangerzeugung enthält. Zu bestimmten Zeitpunkten gibt die Signalsteuerschaltung 1 das Auslesen der einzelnen
Kennwerte einer Tonfolge aus dem Melodienspeicher 24 frei. Jeder aus dem Melodienspeicher 24
ausgelesene Kennwert für die Frequenz der Grundschwingung eines Tones bewirkt die Einstellung des
Zählimpulsfolgegebers 23 auf eine Zählimpulsfolgefrequenz, die der Frequenz der Grundschwingung des zu
erzeugenden Klanges, multipliziert mit der Anzahl der Speicheradressen 5 des jeweiligen Amplitudenspeichers
4, entspricht. Die Adressenzählseha'.tungen 6.2 und 63
können gleichartig wie die Adressenzählschaltung 6.1 aufgebaut sein.
Zur Variation der Zählimpulsfolgefrequenz ist im jeweiligen Zählimpulsfolgegeber 23 ein Komparator 25
vorgesehen, dessen einer Eingang mit dem jeweils vom Melodienspeicher 24 gelieferten Kennwert über die
Grundfrequenz des zu erzeugenden Klanges gespeist wird. Der andere Eingang des Komparators 25 erhält
das Ausgangssignal eines Binärzählers 26, der vom Taktgenerator 20 gesteuert und rückgesetzt wird, wenn
er den Wert des jeweils vom Melodienspeicher 24 gelieferten Kennwertes erreicht, der die Grundfrequenz des
jeweils zu erzeugenden Klanges angibL Der Komparator 25 liefert ein Rückstellsignal für den Binärzähler 26,
welches gleichzeitig als Zählimpuls für den Adressenzähler 22 dient Der Zählimpulsfolgegeber 23 arbeitet
also als einstellbarer Teiler zur variablen Ansteuerung des Adressenzählers 22 und wird seinerseits durch die
Taktimpulse des Taktgenerators 20 gesteuert
Da der Amplitudenspeicher 4.4 in gleichartiger Weise
wie der erste Amplitudenspeicher 4.1 adressiert werden soll, kann ein einziger Zählimpulsfolgegeber 23 für beide
Adressenzählschaltungen 6.1 und 6.4 vorgesehen sein. Demgemäß ist der Zählimpulsfoigegeber innerhalb
der Adressenzählschaltung 6.1 mit 23.1/4 bezeichnet Die beiden Adressenzählschaltungen 6.1 und 6.4 enthalten
jedoch unterschiedliche Adressenzähler 22. Der Adressenzähler 22.4 hat ein geringeres ZähJvolumen als
der Adressenzähler 2Zl. so daß beim Adressieren des Amplitudenspeichers 4.4 ein oder mehrere Adressen
bzw. auszulesende Amplitudenwerte übersprungen
werden und die Adressierung des Amplitudenspeichers 4.4 jeweils neu gestartet wird, bevor ein Adressierzyklus
des ersten Amplitudenspeichers 4.1 abgeschlossen ist. Wenn für jeden zu erzeugenden Klang mehrere Adressierzyklen
nacheinander ablaufen, verschieben sich also die Zykluslängen und damit die Zyklusfrequenzen der
aus den Amplitudenspeichern 4.1 und 4.4 ausgelesenen A(f,|jlitudenwertfolgen um eine geringe Frequenz, wodurch
sich der akustische Eindruck einer Schwebungs-Zufallmodulation und damit einer Annäherung an den
natürlichen Klangeindruck eines mechanischen Klangerzeugers ergibt.
Die Adressenzählschaltung 6.2 wird aus dem Melodienspeicher
24 nicht mit dem Kennwert über die Grundfrequenz des jeweils aktuellen Klanges gespeist,
sondern mit dem Kennwert gemäß der Grundfrequenz des jeweils zuvor erzeugten Klanges. Der Melodienspeicher
24 ist zweckmäßig derart organisiert, daß jeder Adresse zwei Kennwerte zugeordnet sind, die dem aktuellen
und dem jeweils vorhergehenden Klang entsprechen und dann auf die Zählimpulsfolgegeber 23.1/4 und
23.2 geleitet werden.
Der durch die Uhrenschaltung 1 angesteuerte Zeitsignalspeicher 27 leitet seine Kennwerte zur Erzeugung
von Mehrklängen als Stundensignale auf die Adressenzählschaltung 63, in der dem Binärzähler 26.3 ein U N D-Glied
283 vorgeschaltet ist, welches die Kennwerte aus dem Zeitsignalspeicher 27 und die Taktsignale aus dem
Taktgenerator 20 erhält. Da hier eine Frequenzvariation nicht vorkommt, kann auch auf einen Komparator
25 verzichtet werden, so daß der Binärzähler 263 als fest eingestellter binärer Teiler arbeiten kann. Die
Adressierung des Amplitudenspeichers 43 erfolgt also stets mit konstanter Zyklusfrequenz.
Die in der Figur mit einem Doppelpfeil gekennzeichneten Leitungsverbindungen sind als Mehrfachleitungen
(BUS) ausgeführt, so daS sie eine bttparaüele Signalübertragung
gestatten. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Adressierung der Amplitudenspeicher 4
über die Speicheradressen 5, so daß die jeweilige Speicheradresse 5 mit einer ihr entsprechend bemessenen
binärcodierten Zahl erreicht wird. Eine Adressierung über Schieberegister würde beim Aufbau der Schaltung
in integrierter Technik einen zu großen Platzbedarf verursachen.
Wie die Amplitudenspeicher 4, so können auch der Melodienspeicher 24 und der Zeitsignalspeicher 27 Einzelbereiche
eines Gesamtspeichers sein. Dieser kann Teil einer Mikroprozessorstruktur sein, zu der auch die
Adressenzählschaltungen 6, der Pulslängenmodulator 9 sowie der Digitalsummierer 7 gehören können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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