Генератор тональных сигналов для электромузыкального инструмента Советский патент 1984 года по МПК G10H1/06 G10H5/00 

Изобретение относится к областр; конструирования электромузыкальных инструментов и может быть использовано для стабилизации музыкал ного строя электромузыкальных инстру ментов . Известен электромузыкальный инстр мент с автоматической подстройкой музыкального строя, содержаний высокочастотный генератор, первьш выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которо го подключен к выходу блока выделени основного тона, второй выход высоко частотного генератора подключен к внешней колебательной системе, трети его выход соединен с первыми входа-ми смесителей, вторые входы которьис соединены через задающие тон генераторы с выходами блоков фop tиpoвaния синхросигналов, а выходы смеситепей соединены с входами фильтров нижних частот, причем в каждом блоке формирования синхросигналов последователь но включены умножитель частоты, вход которого соединен с четвертым выходом высокочастотного генератора, и делитель частоты, выход которого под ключен к входу смесителя, а также последовательно включены умножитель и делитель частоты между выходом сумматора и вторым входом смесителя данного блока фор шрования синхросигналов, фильтр нижних Частот и модулятор, причем выход смесителя данного блока через фильтр нижних частот подключен к первому входу модулятора, второй вход которого соединен с в.ыходом высокочастотного генератора, а выход модулятора подключен к выходу данного блока формирования синхросигналов „ Указанное устройство сложно по своей структуре и не может быть использовано для автоподстройки равномерно-темперированного строя. Выходные сигналы звуковой частоты в устройстве содержат негармонические составляюп1ие. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является генератор тональных сигналов содержаний Н каналов формирования;, в первом из которых последовательно включены задающий генератор и два делителя частоты, а в остальных каналах формирования последовательнс включены управляющий генератор синусоипальнык сигналов и Два октавных де:и5тез7Я частоты,, причем в каждый канал форш-троваиия, кроме первого, введеня дза последовательно включенш.к смесителя частоты, первый и второй зходь первых пяти из которых; кроме псфвого входа первого смесителя частоть второго канала форг ироваикя; соединены с выходами генераторов синусоидальных сигналов соотиетственио аредыдущего и данного каналов формирования, а первый вход первого смесителя частоть второго канала формироваЕ{ия соединен с выходом задающего генератора, входы первых смесителей частоты итести оставшихся каналов фop iИpoвaния кроме первого входа первого смесителя частоты последнего канала формирования, соединены с выходами первых октавньтх делитЕ лей ч астоты предЕзщущего и данного кан,алов формирования, а первый вход первого смесителя частоты последнего канала формирования соединен с выходом задаюЕ его генератора, вторые входы вторых смесителей частоты пяти первых и двух последних каналов формирования соединены с выходами первгзк октавных делителей частоты первь:х семи каналов формирования; а вторые входы вторых смесителей частоты остальных каналов фop lиpoвaния соединены соответственно с выходами вторых октавных делителей частоты че ьгрех последних каналов форм-гоования L2J ,, Недостатка1-1и известного устройства являются непериодичность последозательпости синхроимпульсов на выходах смесителей, что приводит к дрожанию периодов выходных звуковых сигналов,, возможность возникновения релсима автоколебаний, т.е„ паразитной частотной модуляиди, так как устройство охвачено обратной связью с запаздываюпплми звеньями (фильтры и знутрипериодноз ожидание очередного синхроимпульса), и сложность устройства , заключающаяся в наличии 22 смесителей 1|елью изобретения является улучение качества звучания инструмента утем повышения устойчивости строя. Поставленная пель достигается ем. что в генератор 1ок.;.льных сигалов для злeктpo yзыкaльнoгo интрумента., содержавши двенадцать каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные управляемый генератор и два октавных делителя частоты, причем выходы вторых октавных делителей частоты являются выходами генератора тональ ных сигналов, в каждый канал введен преобразователь разности частот в н пряжение, включенный между выходом и входом управляемого генератора, причем вторые входы преобразователе разности частот в напряжение первого, третьего, шестого, восьмого и одиннадцатого каналов подключены со ответственно к выходам первого октавного делителя частоты двенадцато го, второго, пятого, седьмого и десятого каналов, а вторые входы преобразователей разности частот в напряжение второго, четвертого, пятого, седьмого, девятого, десятого и двенадцатого каналов подключены соответственно к выходам второ октавного делителя частоты первого, третьего, четвертого, шестого, вось мого, девятого и одиннадцатого каналов. Кроме того, преобразователь разности частот в напряжение содержит первый формирователь положительных прямоугольных импульсов, выход кото рого соединен с первыми входами пер вого и второго логических элементов 2И-НЕ, выходы которых соединены соответственно с входами 5 и R R5триггера, и второй формирователь по ложительных прямоугольных импульсов вход и выход которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2И-НЕ, причем неинвертирующий выход 1{5 -триггера соединен с общей шиной через последовательно соедине ные первый резистор, первый конденсатор, второй и третий резисторы, к точке соединения первого конденсатора и второго резистора подключен катод.диода, анод которого соединен с общей шиной, а параллельно третьему резистору .подключен второй конденсатор, при этом входы первого и второго формирователей положитель ных прямоугольных импульсов и точка соединения второго и третьего резисторов являются соответственно вторым и первым входами и выходом преобразователя разности частот в н пряжение. 954 Улучшение качества звучания инструмента достигается путем использования принхщпа взаимной автоматической под стройки тональных генераторов по заданному частотному интервалу, например, по интервалу квинты, а не по фазе, как это сделано в известных устройствах. Потенциальная устойчивость устройства обеспечивается использованием цепи обратной связи, образованной включением преобразователей разности частот в напряжение между выходом и входом -тональных генераторов, содержащей только одно запаздывающее звено, что значительно улучшает качество звучания инструмента. На фиг.1 представлена функциональная схема генератора тональных сигналов для электромузыкального инструмента; на фиг.2 - принципиальная схема преобразователя разности частот в напряжение; на фиг.З зависимость выходного напряжения преобразователя от разности частот. Устройство содержит двенадцать каналов 1-12, последовательность номеров которых соответствует квинтовой последовательности нот a-e-h-fis-eisp,is-dis-b-f-c-g-d. Каждый канал содержит последовательно соединенные . управляемый генератор 13.1-13.12, первый и второй октавные делители 14.1-14.12 и 15.1-15.12 частоты. Вход и выход управляемых генераторов 13.1-13.12 соединены соответственно с выходом и первым входом преобразователей 16.1-16.12 разности частот в напряжение. Второй вход последнего в первом, третьем, шестом, восьмом и одиннадцатом каналах подключен к вькодам первых октавных делителей 14.1-14.12 частоты соответственно в двенадцатом, втором, пятом, седьмом и десятом каналах. Второй вход преобразователей 16.2; 16.4; 16,5; 16.7,- 16.9,16.10; 16.12, разности частот в напряжение во втором, четвертом, пятом, седьмом, девятом, десятом и двенадцатом каналах подключен к выходам вторых октавных делителей 15.1; 15.3; 15-4; 15-6; 15-8; 15-9, 15-11 частоты соответственно в первом, третьем, четвертом, шестом, восьмом, девятом и одиннадцатом каналах.

Выходы вторых октавнызч и,е:1Иге .лей 15-1-15-12 частоты являются выходами генератора TOHajibHbLK сиг-налов для электромузыкального иисугрумента

Преобразователь разности часто-г в напряжение () содержит первый и второй формирователи 17 и 1& положительных прямоугольны, импульсов Выход формирователя 17 соединен с первыми входами первого и второго логических элементов 19 и 20„ Второй вход первого логического элемента 2И-НЕ 19 соединен с вхолом второго формирователя 18 положительных прямоугольных импульсову выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента 2И-НЕ 20. Выходы первого и второго логических элементов 2И-НЕ 19 и 2П соединены соответственно с входами 5 и R RS-триггера 21. Между неинвертнруюптим выходом RS -триггера 21 и общей шиной включены последовате.пьно соег,иненные первый резистор 22, первый конденсатор 23, второй и третий резисторы 24 и 25« Точка соединения пер вого конденсатора 23 и второго резистора 24 соединена также с катодом диода 26; анод которого соединен с общей ошной, а параллапьно третьему резистору 25 подключен второй конденсатор 27, Точка соединения второго и третьего резисторов 24 и 25 является вькодом преобразователя разности частот в напряжение о

Входы первого и второго формирователей 17 и 18 положительных: прямоугольных импульсов являются соответственно вторым и первым входами преобразователя разности частот в напряжение.

Устройство для любого из 12--ТИ например 1 -го канала, работает следующим образом.

Сигнал с частотой f с генератора 13-i в казкдом ка. поступает на первый вход преобразовате-ля 16,i разности частот в напря/щение. На второй вход преобразователя

f J , jTonyпоступает сигнал с частотой

i,

ченной в результате деления в 2 разчастоты генератора предыдущего, канала, Б качестве предыдгтцего выбран такой канал, при котором соотношение между частотагж; f- и f рьфажаемое формулой f,| где m целое число, &f - расстройка, необходи1.,н I-JT;: ::i;jj;учения точного зняче- шчтервала меялу f, и . в равномерно-темлгфироианкой шкале частот, имееч наиг геныиее значение - - Зтому :ребовлнию удовлетворяет интервал, равный сумг-:2 окгавы и квинты, В этом

и if. 0,0034f,, ,,. Преобразоватсч-ьf5-:i разности частот в )Яжение ср.азниваеТ частоты f; к fn и Е(Крябатывает на выходе напряжение, пропорциональное pj.3Hocr)- 3fri- fj. напряжение поступает i-a вход - енератора и изменяет его частоту г так, что знак изменения f, совпадает со знаком изменения f,, Таким

соседних каналах. Мгновег-люе значение частоты f с учетом стабилизирующего Е:.ЛИЯНИЯ частоты frt опре-д.еляется го форогуле

iolHTb) эК.

а

+

1 НК-ьТб ИК.где Lfj - значение частоты генератора 1 3 .1 без стабилизирующего воздействия Чс1стоть: f п ,

К - козффидиент усиления ра зомкнз/той петли обратной связи.

fo°i разности частот в напряжение

Т постоянная: времени фильтруюи(его звена в схеме преобразователя

, необходимого для сглаживания

ззыходного напряжения

S - оператор преобразования

Лапласа.

Установившееся значение расстройки

определяется по Лормтле

(S)

целом генератор тональкьпг сигналов дпя э:;ектромузылального инструмента я;зллется замкнутой системой стабили;-:а. частоты,, т.е. частота генератора 13 Ч в первом канапе стабя.пизкрует частоту генератора 132 ;зс Б;орО:-( какале, которая,, Е азою очепедь с-Абь1лизирует частот генератора 13--3 в третье канале. , ДО ДЕенадцатог;-/ чакапа, о гсотором частота г aisepaTopa 13:12 стабилизирует частогу генератора 7 ,1 131 в первом канале. Возможность построения замкнутой системы вытекает из свойства замкнутости равномерно-темперированной шкалы частот музыкальных тонов а именно, при обходе тринадцати нот с равными интервалами между ними интервал между первой и тринадцатой нотами будет равен целому числу октав. Поскольку частоты генераторов 13,1-13.2 в каналах 1-12 расположены в пределах одной октавы, отношение частоты стабилизируемого генератора 13.1 в i-м канале к частоте стабилизирующего генератора 13.i в(i-1)-канале соответствует либо квинте, либо на октаву ниже квинты, т.е. близко к отношению ,

ukn

,

нч

- частота без учета стабилиза- 25

on ции генератора , 13-1 в п-канале:К - коэффициент усиления разомкн петли обратной связи в п-канале (нумерация каналов в формуле (3) начинается с т го канала, в котором располо жен генератор 13-1 с частото определяемой этой формулой). Поскольку П 8., всегда меньше еди п -1 что в (1) имеет ницы И; учитывая, то ся только одно запаздывающее звено, система потенциально устойчива. Так как схемы генераторов 13.113.12 и преобразователей 16.1-16.12 разности частот в напряжение во всех каналах идентичны,, то А. А-В,С: , При изменении f д на fgr в одном из каналов взаимная расстройка строя инструмента не буде ,превышать величины ) Стабилизирующее действие предлагае мого устройства заклюгается в том, чтоА(У-В) и взаимная расстройка частот генератора IB, вызванная уходом частоты любого из генераторов ТЗ, будет lll-B) 1 раз меньше по сравнению с системой, содержащей двенадцать задающих генераторов, не охваченных взаимной стабилизацией. 58 соответственно либо 3/2, либо 3/4. Для получения равенства f ( f ц в тех каналах, где это отношение равно 3/2 сигнал с частотой f поступает на второй вход преобразователя 16.1 разности частот в напряжение с выхода первого октавного делителя 14,1 частоты соседнего канала. В тех каналах, где это отношение равно 3/А, поступает с высигнал с частотой хода второго октавного делителя 15.1 частоты. В замкнутой системе установившееся значение частоты любого из генераторов 13. может быть определено по формуле ,S4,,-.,B,2Sifo2 Преобразование частот f и f2 в напряжение, пропорциональное разности f.2 fl в преобразователе 16-1 происходит следующим образом. Прямоугольные положительные импульсы со скБа:«ностью 10-15 и частотой fi поступают по первому входу преобразователя на второй вход первого логического элемента 2И-НЕ 19 и на вход второго формирователя 18 положительных прямоугольных импульсов, которьй по спаду входного импульса формирует положительный импульс с той же длительностью, что и у входного импульса (фиг.2). Импульсы с частотой ir по второму входу преобразователя поступают на вход первого формирователя 17 прямоугольных положительных импульсов, который по спаду входных импульсов формирует. импульсы с длительностью в 10-15 раз короче импульсов на выходе второго формирователя 18. Импульсы с выхода второго формирователя 18 поступают на второй вход второго логического элемента 2И-НЕ 20 импульсы с выхода первого формирователя 17 поступают на первые входы логических элементов 2И-НЕ 19 и 20, Импульсы с выходов логических элементов 19 и 20 поступают соответственно на входы 5 и R RS-триггера 21.. Разность частот /3i„-i./ соответствует разности периодов /5T,-T2/--it, 1 1 Vj- J-l Преобразователь работает в облас малых расстроек, таких что iit 2 , где {,1 - длительность импульсов на вторых входа х логических элементов 2И-НЕ 19 и 20. На выходе Й5 -тригге 21 формируется последовательность прямоугольных импульсов с разностной частотой и скважностью зависящей от знака расстройки. Это происходит следующим образом Если 3 Т|,, то через каждый период Тл отставание импульсов на вторых входах первого 1)9 и второго 20 логических элементов от импульсо на -первых входах будет увеличиваться на ut и фаза совпадения импуль сов на входах второго логического элемента 2И-НЕ 20 будет сменяться фазой совпадения на-входах первого логического элемента 2И-НЕ 19 и затем фазой несовпадения как на входах первого 19, так и на входах вто рого 20 логических элементов. В результате этого в течение времени Tj на вход R R5 -триггера 21 будут поступать импульсы, подтверждающие нулевое состояние на выходе триггера 21, затем в течение времен также т импульсы будут поступа с выход,а первого логического элемен та 2И-НЕ 19.на вход 5 25 триггера подтверждающие единичное состояние на выходе триггера 21, после этого . . в течение времени импульсы (it 2 на входах -триггера 21 будут от сутствовать, и триггер будет продол жать находиться в единичном состоян В результате этого на выходе RS триггера 21 будет сформирована последовательность прямоугольных импул сов с периодом - То и со скважнос тью где о - jZi - скважность им пульсов генератора 13-1 (фиг.1). Периоду 1 т соответствует частот bt 2 -ьт.-т, ,.u . Ег.ли Т,, --3 J то будет иметь место опережение импульсов на вторых входах первого 19 и второго 20 логических элементов по отношению к импульсам на первых входах, которое через каждЕ)1Й пе)иод Т будет увеличиваться на u.t , и фаза совпадения импульсов на входах второго логического элемента 2И-НЕ 20 будет следовать за фазой совпадения на входах первого логического элемента 2И-НЕ 19. В результате этого на выходе Я5 -триггера 21 будет сформирована последовательность и myльсов также с периодом и -г (с частотой ± - )-- -° скважностью, равной q . Выходное нап:(яжение преобразователя и Qbi . сглаженное вторым конденсатором 27, снимается с точки соединения второго 2i и третьего 25 резисторов. Это напряжение пропорционально среднему значению тока заряда первого конденсатора 23, так как цепи заряда (второй 24 и третий 25 резисторы) и разряда (диод 26) развязны. Первый резистор 22 ограничивагет амплитуду импульсов разрядного тока ;лля того, чтобы нагрузка (первьш резистор 23 и диод 26) не оказывали вредного влияния на работу Й57триггера 21, В зависимости от скважности импульсов на выходе триггера, а следовательно в зависимости от знака расстройки lit 3f2 ij выходное напряжение определяется формулами ,и .fl( ebsr(i) BbiX ),, де R(p - сопротивление третьего резистора 25,° R - сопротивление второго резистора 24 П А , ij к J С - емкость первого конденсатора 23; Ufri а1чплитуда импульсов напряжения на вькоде R5 -триггера 21 .

На фиг, Зизображена зависимость

вых () - Я совместно с зависимостью частоты генератора 13.1 (фиг.1) от управляющего напряжения ji{ -y(w) - i 2 о fl ( чувствительность изменения частоты генератора к изменению управляющего напряжения, fo - частота генератора в отсутствие режима стабилизации).

Установившееся значение расстройки равно абсциссе точки пересечения графиков q; (uf) и (u) .На фиг.З изображена также Ьбласть допустимых расстроек, внутри которой исключается возможность ложного захвата частоты. Коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи, охватывающей генератор 13.1 и преобразователь 16.1 разности частот в напряжение (фиг.1), который определяет стабилизирующие свойства устройства связан с параметрами преобразователя разности частот в напряжение и с чувствительностью генератора через формулу

dcj)

jiirv По сравнению с электромузыкальным инструментом Юность-73 с 12генераторной системой взятым за базовый образец, многоголосный электромузыкальный инструмент, составной частью которого является

генератор тональных сигналов, имеет более высокую стабильность строя и не требует подрегулировки строя в процессе эксплуатации. Например, при коэффициенте усиления

разомкнутой петли обратной связи контура стабилизации частоты взаимная нестабильность строя инструмента уменьшается в 11-12 раз по сравнению с нестабильностью независимых генераторов (формула 4). Выходные сигналы строго периодичны, свободны от паразитной частотной модуляции в йиде дрожания периодов и некогерентны между собой.

В предложенном устройстве можно ;применять простые и недорогие низкочастотные задающие генераторы, правляемые напряжением и по воляющие получать эффекты глиссандо, портаменто и вибрато. Отсутствие когерентности звуковых сигналов благоприятно сказьгоается на качестве звучания аккордов. -J -Z - 0| / I 3 5/6 7 Я 1г-Л- кйr(3- 7-:fn) lr-Л/кб r () Фиг.З 9 Ш /J 7Z

1. ГЕНЕРАТОР ТОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТpyREHTA, Содержатций двенадцать каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные управляемый генератор и два октавных делителя частоты,причем выходы вторых октавных делителей частоты являются выхо-дами генератора тональных сигналов, отличающийся тем, что, с целью улучшения, качества звучания электромузыкального инструмента путем повышения устойчивости строя, в него в каждый канал введен преобразователь разности частот в напряжение, включенный между выходом и входом управляемого генератора, причем вторые входы преобразователей разности частот в напряжение первого, третьего, шестого, восьмого и одиннадцатого каналов подключены соответственно к выходам первого октавного делителя частоты двенадцатого, второго, пятого, седьмого и десятого каналов, а вторые входы преобразователей разности частот в напряжение второго, четвертого, пятого, седьмого девятого, десятого и двенадцатого каналов подключены соответственно к выходам второго октавного делителя частоты первого, третьего, четвертого, шестого, восьмого, девятого и одиннадцатого каналов . 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователь разности частот в напряжение содержит первый фop гиpoвaтeль положительных прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго логических элементов 2И-НЕ, выходы которых соединены соответственно с входами 5 и R Р5-триггера, и второй форми- рователь положительных прямоугольных импульсов, вход и выход которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго логических элементов 2И-НК,, причем неинвертирующий вьпч;од RS -тригге - ра соединен с общей шиной через последовательно соединенные первый резистор, первый конденсатор, второй и третий резисторы, к точке соединения САЭ первого конденсатора и второго резистора подключен катод диода, аКод которого соединен с общей пшной, а параллельно третьем. резистору подключен второй конденсатор, при этом входы первого и второго формирователей положительных прямоугольных импульсов и точка соедине1шя второго и третьего резисторов является соответственно вторым и первым входами и выходом преобразователя разности частот в напряжение.