Elektronisches Musikinstrument

Abstract

 An den Ausgangssignalen von Tastenkontakten, deren Höhe abhängig von dem Anschlagdruck ist, werden Informationen sowohl hinsichtlich der Anschlagdynamik als auch hinsichtlich Sekundäreffekten beim Halten der Taste gewonnen.
Die Signale werden nacheinander in entsprechend unterschiedlicher Weise verarbeitet.

Beschreibung

[0001] Die Erindung betrifft ein elektronisches Musikinstrument mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Derartige Musikinstrumente sind marktgängig und werden im allgemeinen als "elektronische Orgeln" bezeichnet.

[0002] Ein einfacher Schalter kann nur anzeigen,ob die Taste angeschlagen worden ist oder nicht. Das Spiel läßt sich aber dem der traditionellen Musikinstrumente, etwa eines Klaviers, dann viel besser annähern, wenn auch erfaßt wird, ob der Anschlag kräftiger oder schwächer erfolgt. Hierfür gibt es Ausführungsformen, bei denen die Zeit ausgewertet wird, die für den Tastenhub benötigt wird; ist diese Zeit kurz, so wird ein kräftiger Anschlag angenommen, und ist sie lang, ein schwächerer.

[0003] Schließlich gibt es andere Arten von Musikinstrumenten (traditionelle wie auch elektronische), bei denen der Spieler durch Bewegungen seiner Spielfinger hier als "Sekundäreffekte" bezeichnete Klangwirkungen hervorbringt, etwa ein Vibrato .

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgleiche Musikinstrument derart auszubilden, daß mit sehr geringem Aufwand die Anschlagdynamik erfaßt werden kann und darüberhinaus die Tastatur auch die·Erzeugung von Sekundäreffekten ermöglicht.

[0005] Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1; die Unteransprüche definieren zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

[0006] Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform eines im Rahmen der Erfindung verwendbaren Druck-Spannungs-Umsetzers, wobei die Darstellung weitgehend schematisiert ist im unterbrochenen bzw. sanft angeschlagenen bzw. kräftig angeschlagenen Zustand,

Fig. ₄ bis 6 zeigen in ähnlicher Weise eine zweite Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 7 bis 9 zeigen in ähnlicher Weise eine dritte Ausführungsform,

Fig.10 ist ein typischer Spannungs-Zeit-Verlauf bei einem Umsetzer, wenn eine Taste angeschlagen wird,

Fig.11 ist das weitgehend schematisierte Blockschaltbild einer Auswerteschaltung, und

Fig.12 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionen der Logikeinheit in der Schaltung nach Fig. 11.

[0007] Gemäß Fig. 1 ist an einer Taste 20 des Instruments ein Block 22 aus einem Polymermaterial befestigt, das durch Zusätze aus elektrisch leitendem Material elektrisch leitend gemacht ist. Der Block 22 ist an seinem unteren Ende abgerundet. Beim Anschlag der Taste trifft das abgerundete Blockende auf eine Leiterbahn 24 einer gedruckten Schaltung 26, (Fig. 2) und je kräftiger der Anschlag ist (Fig. 3), desto mehr wird der Block 22 komprimiert, und entsprechend vergößert sich die Kontaktfläche zwischen ihm und der Leiterbahn 24. Demgemäß nimmt auch der Widerstand dieses Kontaktbereichs immer mehr ab. Nur in Fig. 1 sind auch die übrigen, bei allen Tasten des Instruments vorgesehenen Komponenten dargestellt, nämlich ein Vorwiderstand 28, der mit dem beschriebenen variablen Widerstand einen Spannungsteiler für die Spannung V₀ bildet, wobei der über dem variablen Widerstand abfallende Spannungswert V_a mittels Leitung 30 abgegriffen wird. Der jeweils andere Anschluß des variablen Widerstands liegt an Masse. Ganz dieselbe Konfiguration ist auch bei den Ausführungsformen nach _Fig. 4-9 vorgesehen und deshalb dort nicht noch einmal gezeichnet.

[0008] In Fig. 4-6 ist ein Block 22' aus gleichem Material wie Block 22 an der Taste befestigt, der jedoch nicht abgerundet ist. Beim Auftreffen auf zwei Kontäktleisten 32, 34 überbrückt er diese (Fig. 5), und wird der Druck auf die Taste erhöht, verkürzt sich die Höhe 26 des Blocks (Fig. 6), womit sein Widerstand abnimmt.

[0009] Bei der Ausführungsform nach Fig. °7-9 trägt die Taste 20" einen elastischen Block 22" aus elektrisch gut leitendem Material, der an seinem freien Ende abgerundet ist. Beim Auftreffen auf einen an beiden Enden mit Anschlüssen versehenen Streifen 24" aus Widerstandsmaterial wird ein Abschnitt des Streifens, dessen Länge von dem Druck auf die Taste abhängt (vgl. Fig. 9), durch das Material des Blocks 22" kurzgeschlossen, womit der Widerstand zwischen den Anschlüssen sich entsprechend verringert.

[0010] Es versteht sich, daß man z.B. durch variable Breite der Widerstandsstreifen 24", Formgebung und Härte der Blöcke 22, 22' bzw. 22" und andere Maßnahmen irgendeine gewünschte Charakteristik der Funktion Spannung = f (Tastendruck) vorgeben kann.

[0011] Der zeitabhängige Verlauf der Spannung V₃₀ auf Leitung 30 ist in Fig. 10 beispielshalber dargestellt, und zwar für einen kräftigen Anschlag in Kurve A und für einen weicheren Anschlag in Kurve B. Die Weiterverarbeitung

[0012] der Spannung V₃₀ setzt ein, sobald die Schwellenspannung V_th unterschritten wird. Die Information bezüglich der Anschlagdynamik wird aus der Steilheit des Kurvenverlaufs gewonnen, wobei man entweder das Zeitintervall bestimmt, innerhalb dessen eine vorgegebene Differenzspannung durchlaufen wird, oder aber die Differenzspannung dV bestimmt, die innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls dt nach Unterschreiten der Schwellenspannung V_th durchlaufen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die letztgenannte Methode verwendet.

[0013] Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne t von z.B. 50 ms kann davon ausgegangen werden, daß auch ein sehr sanfter Tastenanschlag beendet ist. Der Spieler kann nun durch Variieren des Tastendrucks Sekundäreffekte auslösen, z.B. ein Vibrato. Die entsprechenden Änderungen der Spannung V₃₀ nach Ablauf von t₀ werden dann natürlich von den nachgeordneten Schaltkreisen in anderer Weise zu verarbeiten sein als die Dynamikinformation, je nachdem, welche Sekundäreffekte ermöglicht werden sollen. Wenn die Spannung V₃₀ den Wert V_th wieder übersteigt, wird angenommen, daß der Spieler die Taste wieder freigegeben hat.

[0014] Zusammengefaßt hat also die Schaltungsanordnung die folgenden Funktionen zu erfüllen:

- Feststellen, ob V_th unterschritten wird,

- Bestimmen von dV/dt,

- Bestimmen des Zeitablaufs von t ,

- Bestimmen der danach erfolgenden Änderungen der Spannung ^V_30'

- Feststellen, wann V_th wieder überschritten wird.

[0015] Eine Schaltungsanordnung, die diese Funktionen erfüllt, ist in Fig. 11 dargestellt.

[0016] Die von den einzelnen Tasten kommenden Spannungen V₃₀a,b,...i..z werden in einer Multiplexschaltung 40 in serielle Informationen umgesetzt, die auf der Ausgangsleitung 42 anstehen. Die Zeitsteuerung der Multiplexschaltung 40 erfolgt über Leitung 44 von dem Ausgang eines Notenzählers 46, der seinerseits von einem Taktgenerator 48 angesteuert wird.Der letztere taktet auch eine Logikschaltung 50, deren Funktion später erläutert wird.

[0017] Die Spannung V_i auf Leitung 42 wird einem Analog-Digital-Wandler 52 zugeführt, auf dessen Ausgangsleitung 54 das digitale Äquivalent der Spannung V_i erscheint, das nachstehend als V_k bezeichnet werden soll. V_k liegt am einen Eingang eines Komparators 56, an dessen anderem Eingang die ebenfalls in digitaler Form vorliegende Schwellenspannung V_th anliegt. Der jeweils am Ausgang des Komparators 56 stehende Logikpegel L_k zeigt an, ob die Schwellenspannung unterschritten ist oder nicht.

[0018] Es sind drei Randomspeicher 60, 62 und 64 vorgesehen, die (mindestens) ebensoviele Speicherplätze aufweisen, wie die Multiplexschaltung 40 Eingänge aufweist, das heißt, für jeden Tastenkontakt ist in jedem Randomspeicher ein adressierbarer Speicherplatz vorgesehen. Die Randomspeicher halten während des Multiplexzyklus die zu der jeweiligen Taste gehörenden Daten, nämlich im Speicher 60 bezüglich des Anschlagzustands der Tasten - deshalb soll dieser Speicher nachstehend als "Anschlagspeicher" bezeichnet werden -, im Speicher 62 die laufenden Werte der Spannungen V_k - deshalb soll dieser Speicher nachstehend als "Spannun^g_Epeicher" bezeichnet werden, - sowie schließlich im Speicher 64 den laufenden Wert der Zeit, und deshalb wird dieser Speicher nachstehend als "Zeitspeicher" bezeichnet.

[0019] Die Adressierung der Speicher erfolgt durch den Notenzähler 46, synchron mit der Ansteuerung der Multiplexschaltung 40.

[0020] Der Logikpegel L_k vom Ausgang des Komparators 56 bildet einen Steuereingang der Logikschaltung 50. L_k kann bedeuten, daß eine Taste gerade angeschlagen worden ist, oder aber, daß die Taste bereits beim vorigen Multiplexzyklus angeschlagen war. Die Belegung des entsprechenden Speicherplatzes im Anschlagspeicher wird daher ausgelesen und als Logikpegel L_A ebenfalls der Logikschaltung zugeführt.

[0021] Um festzustellen, ob die betreffende Taste bereits angeschlagen war oder nicht, wird der laufende Wert von V_k aus dem Spannungsspeicher in einem zweiten Komparator 66 ebenfalls mit V_th verglichen; da dieser laufende Wert natürlich im vorhergehenden Multiplexzyklus eingespeichert worden war, soll er als "V_k-1" bezeichnet werden. Der Ausgang des Komparators 66 liefert demgemäß ein Logiksignal L_H an die Logikschaltung 50, woraufhin diese den Schreibbefehl wANS an den Anschlagspeicher 60 gibt, in den dann die Daten entsprechend L_A eingeschrieben werden.

[0022] Wenn jedoch das Ausgangssignal des Komparators 66 auf einem Logikpegel liegt, der ein erstmaliges Niederdrücken der Taste bedeutet, sollen zwei Vorgänge ausgelöst werden: Erstens die Messung des Zeitintervalls t_o, und zweitens die Bestimmung der Anschlagdynamik.

[0023] Für den ersten Vorgang wird der entsprechende Speicherplatz im Zeitspeicher 64 auf Null gesetzt (Befehl S_tc von der Logikschaltung), und durch Auslesen des jeweiligen Speicherwertes, Inkrementieren um eine Einheit im Addierkreis 70 und erneutes Einschreiben mittels Multiplexschaltung 72 wird gezählt, bis der laufende Zeitwert t gleich dem vorgegebenen Intervall t ist. Diesen Vergleich führt der Komparator 74 aus, dessen Ausgangslogikpegel wieder als Steuersignal zur Logikschaltung rückgemeldet wird, denn von diesem Zeitpunkt an sollen ja die Spannungsdaten V_k in anderer Weise als vorher ausgewertet werden. Deshalb erzeugt die Logikschaltung ein entsprechendes Kommando ST das den Zeitmeßvorgang für die betref- fende Taste als beendet erkennen läßt.

[0024] Beginnend mit dem von der Logikschaltung kommenden Befehl wSPA, wird die Spannungsgröße V_k von V_k-1 subtrahiert und zwar mittels des Subtrahierkreises 76, an dessen Ausgang 78 die Differenzspannung dV ansteht. Das zugehörige Zeitintervall ist natürlich eine Zykluszeit des Multiplex. Die Auswertung von dV braucht nicht zu erfolgen, wenn dV=O ist. Deshalb werden alle Bits von dV einem Gatter 79 zugeführt, an dessen Ausgang ein Logikpegel dV=O erscheint, wenn alle Bits eine Spannungsdifferenz Null aufweisen.

[0025] Sobald die Anschlagdynamik aus der Größe dV bestimmt worden ist, kann man entweder weiterhin die Größe dV als Information für den danach möglichen Sekundäreffekt benutzen, oder aber die Größe V_k selbst. Der Ausgabe-Schnittstelle 80 ist daher noch der Datenwähler 82 vorgeschaltet, der entsprechend einem Wählbefehl SEL der Logikschaltung die eine oder die andere Größe in die Schnittstelle überträgt. Dieser wird mittels

Statussignals ST von der Logikschaltung signalisiert, ob es sich um die Messung der Dynamik (t_o noch nicht abgelaufen) oder des Sekundäreffekts handelt.

[0026] Die Schnittstelle ist als Schieberegister ausgebildet, aus dem die eingegebenen Daten asynchron mit dem Takt des Taktgenerators 48 auslesbar und den Tonerzeugungsschaltkreisen 90 des Instruments zuführbar sind; damit die betreffende Taste identifiziert wird, wird auch der Ausgang des Notenzählers 46 auf das Register gegeben, und ebenso der jeweilige Status des Anschlagzählers. Das Einschreiben in das Register erfolgt durch Befehl wFIFO der Logikschaltung.

[0027] Bei dem Schieberegister handelt es sich um ein solches, bei dem die zuerst eingegebenen Daten (First In) auch zuerst ausgegeben werden (First Out), also ein sogenanntes "FIFO-Register".

[0028] Die Logikschaltung kann als Festwertspeicher ausgebildet sein oder als Gattersystem.

[0029] Die gesamte Schaltung gemäß Fig. 11, mit Ausnahme des analogen Multiplexers, kann als ein einziger Mikroprozessorchip z.B. des Typs INTEL 8020 augebaut sein.

[0030] Der Ablauf beim Loslassen einer Taste mit entsprechendem Kippen des Ausgangs zuerst von Komparator 56, dann von Komparator 66 ergibt sich von selbst; im übrigen zeigt das Flußdiagramm gemäß Fig. 12 noch einmal die Funktionen der Logikschaltung in ihrer Verknüpfung.

Ansprüche

1. Elektronisches Musikinstrument mit mindestens einer Tastatur zur Auswahl der wiederzugebenden Töne, wobei jeder Taste mindestens eine Schalterfunktion zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Taste ein Widerstand zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von dem auf die Taste beim Anschlag und beim Halten ausgeübten Druck variabel ist, und daß eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des zeitlichen Verlaufs einer über dem Widerstand abfallenden Spannung vorgesehen ist.

2. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Abstiegsflankensteilheit als Maß für die Stärke des Tastenanschlags ausgebildet ist.

3. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Amplitude der abfallenden Spannung nach einer mit dem Tastenanschlag beginnenden Verzögerungszeit ausgebildet ist.

4. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Multiplexschaltung umfaßt zum Umformen der parallel anstehenden Spannungen der Tasten der Tastatur in eine serielle Folge von Spannungswerten und daß ein Schaltkreis zum Erfassen der Spannungsdifferenz in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen des Multiplex als Steilheitsmaß vorgesehen ist.

5. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexschaltung ein Analog-Digital-Umsetzer nachgeschaltet ist.

6. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Speicherschaltung (62) umfaßt, in der jeder Taste ein Speicherplatz für die Spannungswerte zugeordnet ist.

7. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Komparatorschaltung (56) zum Vergleich der Spannung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung, dessen Ausgangssignal als Auslösesignal für die Festlegung der Verzögerungszeit dient.

8. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösesignal zugleich als Auslösesignal für die Bestimmung der Flankensteilheit dient.

Zeichnung