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DE2149104B2 - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen

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DE2149104B2
DE2149104B2 DE2149104A DE2149104A DE2149104B2 DE 2149104 B2 DE2149104 B2 DE 2149104B2 DE 2149104 A DE2149104 A DE 2149104A DE 2149104 A DE2149104 A DE 2149104A DE 2149104 B2 DE2149104 B2 DE 2149104B2
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George Arthur Tustin Calif. Watson (V.St.A.)
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Allen Organ Co
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Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen einstellbarer Schwingungsform und diskret einstellbarer Schwingungsfrequenz, wie sie zu Meßzwecken oder auch für elektro-
3« nische Musikinstrumente benötigt werden. Bei derartigen Schwingungserzeugern müssen zwei Schwierigkeiten überwunden werden: einmal soll eine ausgewählte Schwingungsform von einem gewünschten Kurvenverlauf möglichst wenig abweichen, zum anderen soll sich eine ausgewählte Schwingungsform nicht verändern, wenn für ihre Grundwelle eine beliebige Frequenz eingestellt wird.
Um diese beiden Bedingungen zu erfüllen, ist es aus der DT-OS 1 935 306 bekannt, jede einzelne Kurvenform eines für notwendig erachteten Formenvorrats in eine hinreichend große Anzahl diskreter Amplitudenwerte zu zerlegen und diese Amplitudenwerte digital in einem Festwertspeicher zu speichern. Werden diese Amplitudenwertc der Reihe nach aus dem Speicher abgerufen, so läßt sich daraus der ursprüngliche Schwingungsverlauf wiederherstellen, und zwar exakt immer derselbe Schwingungsvcrlauf. unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit der Abruf der Amplitudenwerte erfolgt. Die Frequenz einer ausgewählten Schwingungsform wird also durch die Wahl der Abrufgeschwindigkeit fesgelegt. In der genannten Veröffentlichung ist daher eine große Zahl voneinander abhängiger Oszillatoren mit unterschiedlichen, aber korrelieren Frequenzen vorgesehen, mit denen direkt oder über nachgeordnctc Teilerstufen die Amplitudenwerte abgerufen und damit die gewünschte Schwingungsfrequenz jeder gewühlten Schwingungsform eingestellt werden kann.
Nachteilig ist dabei allerdings die große Zahl der
mi benötigten Oszillatoren. Soll beispielsweise eine Oktave in 12 gleichschwebende Frequenzintervalle aufgeteilt werden, so sind 12 Oszillatoren erforderlich, die entweder quarzstabilisiert oder untereinander durch komplizierte Regelmcchanismen verkoppelt
(.5 sein müssen; ferner müssen jedem tier I 2 Oszillatoren so viel duale Teilerstufen nachgeschaltct sein, wie die Anlage Oktaven umfassen soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu
vermeiden und einen Schwingungsgenerator anzugeben mit einem Festwertspeicher, in dem diskrete Amolitudenwerte von Schwingungsformen digital gespeichert sind, die mit Hilfe nur eines einzigen Taktfrequenzoszillators mit wählbarer Geschwindigkeit ausgelesen werden können, so daß jede gespeicherte Schwingungsform mit einer diskret einstellbai en Frequenz erzeugt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens ist in Fig. 2 eine Schwingungsform gezeichnet, die mit einer diskret einstellbaren Frequenz erzeugt werden soll. Die senkrechten, äquidistant jeweils um das Intervall T gegeneinander versetzten Striche kennzeichnen diejenigen Amplitudenwerte, von denen jeder beispielsweise mit einem 8-Bit-Wort in dem Festwertspeicher gespeichert ist. Natürlich wird die Reproduktion um so genauer, je mehr Amplitudenwerte pro Periode der Grundwelle gespeichert werden, doch haben praktische Erfahrungen gezeigt, daß etwa 48 Intervalle entsprechend 7,5 ° vollauf geniigen.
Ersichtlich ist die Frequenz, mit der ein Kurvenverlauf wie in Fig. 2 reproduziert wird, von der Geschwindigkeit abhängig, mit der die einzelnen Amplitudenwerte nacheinander aus dem Speicher ausgelesen bzw. mit der die einander folgenden Adressen für die Amplitudenwerte in den Speicher eingegeben werden, also von der absoluten Zeitdauer, die dem einzelnen Intervall T beigelegt wird. Erfindungsgemäß wird diese absolute Intervallzeit durch eine binär verschlüsselte Intervallzahl repräsentiert, die so aufgebaut ist, daß sie je nach der gewünschten Frequenz unterschiedlich oft zu sich selbst addiert werden muß, damit die Adresse des nachfolgenden Amplitudenwertes ausgegeben wird.
Erst mit der Einführung derartig aufgebauter Intervallzahlcn wird der entscheidende Vorteil der Erfindung erreicht, der darin besteht, daß einerseits die einzelnen Additionsvorgänge mit einer immer gleichen Frequenz vorgenommen werden können, daß also nicht Oszillatoren unterschiedlicher Frequenz benötigt werden und daß andererseits trotzdem jede gewünschte Frequenz erzeugt werden kann, weil diese nur davon abhängt, wie oft die zugehörige Intervallzahl zu sich selbst addiert werden muß, damit die Adresse des nachfolgenden Amplitudenwertes ausgegeben wird.
Tongeneratoren der eingangs genannten Art müssen unter Umständen eine sehr große Anzahl wählbarer Frequenzen erzeugen können. Eine elektronische Orgel beispielsweise mit vier Tastaturen, acht Oktaven je Tastatur und zwölf Tönen je Oktave benötigt 4X8X12 = 384 wählbare Frequenzen, also auch 384 Intervallzahlen. Die Gesamtheit aller Intervellzahlen könnte natürlich in einem Festwertspeicher gespeichert werden, aus dem die der gewünschten Frequenz zugeordnete Intervallzahl dann abgerufen wird. Dies Verfahren ist jedoch teuer und erfordert eine komplizierte Verdrahtung.
Eine andere und einfachere Möglichkeit besteht darin, daß ein Haupttaktgenerator die Befehlsstellen für alle wählbaren Frequenzen der Reihe nach abfragt, iih eine bestimmte Frequenz gewählt worden ist. Für ilen praktischen Betrieb genügt es, wenn jede einzelne Frequenz etwa zwcihundertmal je Sekunde abgefragt wird; für das Beispiel einer Orgel mit 384 Tönen bedeutet dies also eine Haupttaktfrequenz von 200 X 384 Hz = 76,8 kll-:, die sich sehr einfach und mit sehr großer Genauigkeit konstant halten läßt. Da der Haupttaktgenerator nach einem festgelegten Schema die Befehlsstellen für alle wählbaren Frequenzen der Reihe nach ansteuert und jede Befehlsstelle darauf antwortet, ob sie eingeschaltet ist oder nicht, ergibt sich ein Zeitmultiplexsignal mit einer Wiederholfrequenz von 200 Hz, in dem beim Beispiel der Orgel jeder Zeitabschnitt von 1Z7681H)= 13 us einer ganz bestimmten wählbaren Frequenz zugeordnet ist.
ίο Wie später noch ausgeführt werden wird, ist es zweckmäßig, zusätzlich besondere Steuersignale in dem Zeitmultiplexsignal unterzubringen. Dies läßt sich ohne weiteres durch eine Erhöhung der Haupttaktfrequenz beispielsweise auf den runden Wert von
is K)OkHz bewerkstelligen.
Beim Vorhandensein eines derartig aufgebauten Zeitmultiplexsignals ist es nicht mehr erforderlich, die Gesamtheit aller Intervallzahlen in einem Festwertspeicher zu speichern. Erfindungsgemäß genügt es, nur die der niedrigsten wählbaren Frequenz entsprechende IntervalJzahJ fest zu speichern und diese Intervallzahl im Abfragerhythmus der Befehlsstellen immer mit demjenigen Faktor zu multiplizieren, um den sich die wählbaren Frequenzen der einzelnen Befehlsstellen unterscheiden; im Falle einer Orgel, d. h. bei gleichschwebender Stimmung wäre dieser Faktor dann 2"':= ι,059463, und nach dem Abfragen von zwölf einander benachbarten Befehlsstellen hätte sich dann die der ersten Befehlsstelle entsprechende Inter-
Mi valizahl verdoppelt. Ist keine Befehlsstelle eingeschaltet, so läuft der Multipliziervorgang mit dem Abfragen der Befehlsstellen weiter, bis die höchste wählbare Frequenz abgefragt ist; unmittelbar danach muß dann das Multiplizierwerk auf die der niedrigsten
.is wählbaren Frequenz entsprechende Intervallzahl zurückgestellt werden. Das Zeitmultiplexsignal enthält daher Zeitfenster, in denen ein Rückstellsigna! dies Zurücksetzen bewirkt. Ebenso enthält das Zeitmultiplexsignal Startsignale, die den Multipliziervorgang in
4(i Gang setzen; am einfachsten eignet sich hierfür eine fiktive Frequenz, die beispielsweise zwei Oktaven unterhalb der tiefsten wählbaren Frequenz liegt und die keine Befehlsstellen hat, aber jedesmal mit abgefragt wird.
Die Erfindung wird nun an Hand des Ausfiihrungsbeispiels Fig. IA beschrieben. Hierin umfaßt das Kernstück des erfindungsgemäßen Schwingungserzeugers den rechten Teil mit den Blöcken 101, 108, 109,110 und 111. Dabei bedeutet 108 einen mehrfach
5(i auslesbaren, aber auch löschbaren Zwischenspeicher, in den bei Wahl einer bestimmten Frequenz deren Intervallzahl eingeschrieben wird. Diese Intervallzahl wird im Rhythmus der über die Leitung 112 zugeführten Taktfrequenz in das Adressenregister 109 übertragen und addiert sich dort laufend zu sich selbst. Hat die Summe der in das Adressenregister 109 eingclcscnen Intervallzahlen einen vorbestimmten Wert erreicht, so wird die Adresse des nächstfolgenden Amplitudenwertes ausgegeben und über den Adres-
(iii scndecoder HO an den Festwertspeicher 101 weitergeleitct. Dabei sind die Intervallzahlen so aufgebaut, daß sie die für die Erreichung der nächstfolgenden Adresse notwendige Anzahl ihrer Additionen zu sich selbsi umgekehrt proportional zur Höhe der einge-
<i5 stellten Frequenz bzw. der durch die Intervallzahl repräsentierten Frequenz ist. Die aus dem Festwertspeicher 101 abgelesenen Wörter von beispielsweise 8 Bit Länge werden in 104 /u einem digitalen Abbild
der Kurvenform zusammengesetzt und dann an einen nicht gezeichneten Digital-Analog-Wandler weitergegeben.
Die über die Leitung 112 zugeführte Taktfrequenz kann im Falle eines einzelnen Schwingungserzeugers, etwa für Meßzwecke, gleich der Haupttaktfrequenz sein. Sind mehrere Schwingungserzeuger wie etwa bei einem Musikinstrument vorhanden, so werden die Schwingungserzeuger der Reihe nach abgefragt, so daß die Frequenz auf der Leitung 112 gleich der Haupttaktfrequenz ist, dividiert durch die Anzahl der Schwingungserzeuger.
Im linken Teil der Fig. IA mit den Blöcken 100, 106 und der geschlossenen Schleife 103 erfolgt der Aufbau der einen gewählten Frequenz entsprechenden Intervallzahl. Beim obenerwähnten Rückstellsignal, d. h. nach Abfragen sämtlicher wählbarer Frequenzen sperrt der Flipflop 100 das Gatter 105 und setzt das Speicherregister 102 auf die binär verschlüsselte und der niedrigsten wählbaren Frequenz entsprechende Intervallzahl zurück und hält beide Aggregate in diesem Zustand, bis das Startsignal den Beginn eines neuen Abfragevorgangs der Befehlsstellen ankündigt. Mit dem Startsignal öffnet der Flipflop 100 das Gatter 105 und liest die im Speicherregister 102 vorhandene Intervallzahl im Rhythmus der über die Leitung 113 zugeführten Haupttaktfrequenz aus; diese wird dem Multiplizierglied 104 zugeleitet, das die Multiplikation beispielsweise mit 21"2 durchführt, und das Ergebnis wird über das nun offene Gatter 105 erneut in das Speicherregister 102 übernommen und ausgelesen. Ist der Abfragevorgang bis zu einer eingeschalteten Befehlsstelle gekommen, so wird übe die Leitung 107 das Gatter 106 geöffnet, und die In tervallzahl wird in den Zwischenspeicher 108 übertra gen.
Der Aufbau des Multipliziergliedes 104 win zweckmäßig dem Aufbau des Speicherregisters 101 angepaßt. Ist 102 ein Schieberegister, so bietet siel für 104 der serielle Betrieb an. Einfacher ist es irr allgemeinen, wenn die Intervallzahl aus 102 parallelei
ίο Leitungen ausgelesen wird, wie dies in Fig. IB ange deutet ist. In diesem Fall ist es wegen der binären Co dierung vorteilhaft, den Faktor, mit dem multiplizier werden soll, in eine Summe von Potenzen von 2 aufzu lösen. Beispielsweise ist
,, 2"':! = 2" + 2-4-2-K+2-1"-2-1-\
Die Teilergebnisse werden dann nach Inversion de negativen Beträge in einem Addierglied 121 zusam mengefaßt.
In der Praxis kann wegen der begrenzten Kapazitä
2(i des Festwertspeichers 101 nur eine verhältnismäßij kleine Anzahl von Amplitudenwerten und Adressei gespeichert werden. Da aber für die tatsächlich er zeugte Frequenz nur die Intervallzahl maßgebend ist d. h. nur die Zeit, die benötigt wird, um im Adressen register 109 die vorgegebenen Werte zu erreichen brauchen sich die Adressen im Speicher 101 nur wenij voneinander zu unterscheiden. Die Speicherkapazitä des Festwertspeichers 101 kann also überwiegend fü die Genauigkeit der Schwingungsform, d. h. für di< Anzahl der Intervalle Tentsprechend Fig. 2 und nu zu einem kleinen Teil für die zugehörigen Adressei ausgenutzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen eines elektronischen Tongenerators mit vorgebbarer Schwingungsform und mit aus einer Anzahl diskreter Werte wählbarer Schwingungsfrequenz,
- bei dem eine Schwingungsform als Abfolge diskreter, in äquidistanten Phasenintervallen über eine Periode der Grundwelle abgegriffener Amplitudenwerte digital in einem Festwertspeicher gespeichert und jeder Amplitudenwert mit einer Adresse versehen ist und
- bei dem die zu erzeugende Schwingungsfrequenz von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Adressen für aufeinanderfolgend abzugebende Amplitudenwerte gebildet und dem Festwertspeicher zugeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
- daß eine der zu erzeugenden Schwingungsfrequenz zugeordnete und zu ihr proportionale Intervallzahl mit einer festen Taktfrequenz laufend aus einem Zwischenspeicher (108) in ein Adressenregister (109) eingelesen wird,
- daß die jeweils eingelesene Intervallzahl in dem Adressenregister (109) zu dessen Inhalt fortlaufend addiert wird, wobei das Adressenregister (109) fest vorgegebene Zählstände der Reihe nach erreicht, und
- daß das Erreichen jedes fest vorgegebenen Zählstandes im Adressenregister (109) die Zuleitung der Adresse des nächstfolgenden Amplitudenwertes zum Festwertspeicher
(101) auslöst.
2. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen nach Anspruch 1, bei dem sich die jeweils benachbarten der wählbaren Schwingungsfrequenzen um immer den gleichen Faktor unterscheiden, dadurch gekennzeichnet,
- daß den wählbaren Schwingungsfrequenzen die mit einer festen Haupttaktfrequenz gebildeten Kanäle eines Zeitmultiplexsignals zugeordnet werden,
- daß zur Bildung der der jeweils zu erzeugenden Schwingungsfrequenz zugeordneten Intervallzahl ein Speicherregister (102) vorgesehen ist, das durch ein einem bestimmten Zeitfenster im Zeitmultiplexsignal entsprechendes Rückstellsignal auf die der niedrigsten wählbaren Schwingungsfrequenz zugeordnete Intervallzahl zurückgesetzt wird,
- daß der jeweilige Inhalt des Speicherregisters
(102) im Rhythmus der Haupttaktfrequenz mit dem Faktor multipliziert und erneut in das Speicherregister (102) eingespeichert wird und
- daß der Inhalt des Speicherregisters (102) bei dem Haupttaktsignal, das dem Zeitmultiplcxkanal der zu erzeugenden Schwingungsfrequenz entspricht, als Intervallzahl in den Zwischenspeicher (108) eingelesen wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Schwingungen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Adressendecoder (110), der aufgrund der vom Adressenregister (109) ausgegebenen
Adressen die einzelnen abzugebenden Amplitudenwerte der Schwingungsformen ansteuert.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
- eine in sich geschlossene Schleife (103) zur kontinuierlichen und sequentiellen Erzeugung der Intervallzahlen aller wählbaren Schwingungsfrequenzen,
- ein Gatter (106) zur Weiterleitung derjenigen Intervallzahl aus der geschlossenen Schleife (103), die der jeweils gewählten Schwingungsfrequenz entspricht;
- einen Zwischenspeicher (108), in den die über das Gatter (106) weitergeleitete Intervallzahl eingelesen wird, und
- ein Adressenregister (109), in das die im Zwischenspeicher (108) gespeicherte Intervallzahl wiederholt eingelesen und dabei zu sich selbst addiert wird, um die Adressen für die jeweils folgenden Amplitudenwerte zu erzeugen.
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