專利名稱：隨意琴的開關(guān)器組的制作方法
申請?zhí)枮?6207013，87209532的中國專利申請給出以自適應(yīng)濾波器，自適應(yīng)基頻檢測器鎖相變換器及窗口比較器為主要內(nèi)容的聲信號處理裝置，該裝置發(fā)出實時控制信號，使標(biāo)準(zhǔn)音律發(fā)生器工作，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)樂音。
上述裝置在基頻檢測器后用鎖相變換器和窗口比較器，或帶通濾波器和摸擬開關(guān)構(gòu)成開關(guān)器組以啟動標(biāo)準(zhǔn)音律發(fā)生器。但前者對鎖相變換器溫度特性要求較高，補償困難。后者沒有給出優(yōu)選的電路，雖然這是一個較簡單的問題，但對于二度音階間僅5%的相對頻率間距通常是使用Q值較高的窄帶濾波器，造成電路的復(fù)雜化。
另外，由于該裝置的基頻檢測器完全依賴于對聲信號波形的分析(這是一種時域處理方法)，因而當(dāng)波形發(fā)生瞬間的畸變時，將使輸出的基頻不穩(wěn)定。特別是當(dāng)輸入的聲信號不是由單一發(fā)聲體發(fā)出，而是由兩個以上發(fā)聲體共同發(fā)出時，由于各聲源的不相干性，使合成的信號失去穩(wěn)定的形狀，因而上述裝置將不能正常工作。
本發(fā)明對上述裝置的開關(guān)器組進行改造。采用新方案使之更加簡單可靠，并且對各種聲信號的適應(yīng)能力顯著地提高。
本發(fā)明的出發(fā)點在于，在開關(guān)器組中，采用直接處理頻率的技術(shù)避免不必要的中間變換環(huán)節(jié)。其原理將在下面結(jié)合實施例加以說明。
在實施例1中(見附

圖1)，用一組帶通濾波器和摸擬開關(guān)組成開關(guān)器組，其特點在于，它的輸入端經(jīng)過一個幅度可調(diào)的射極跟隨器取自基頻檢測器F的頻率輸出端。一般地，當(dāng)相鄰帶通濾波器的中心頻率為5%時(這是二度音程間的頻率偏移)，需要使用窄帶濾波器這里卻僅使用Q值在10以下的簡單濾波器，而相鄰音階的分離度仍得以保證，其關(guān)鍵在于，調(diào)節(jié)W使跟隨器T的輸出電平恰好能使其中的一個摸擬開關(guān)打開(該開關(guān)器輸入端的帶通濾波器中心頻率與信號頻率最接近)，而其它的摸擬開關(guān)由于其控制端電平低于開啟閥值而處于關(guān)閉狀態(tài)。由于巧妙地利用了摸擬開關(guān)的開啟特性，使得整個電路結(jié)構(gòu)十分簡單。當(dāng)然也可以用晶體三級管來代替摸擬開關(guān)，但晶體管的特性必須嚴(yán)格一致，分選較費工時。
實施例2(見附圖2)是實施例1的變形，同樣使用低Q濾波器，這里在濾波器組后接入一組單音選擇器，這是一種具有回差功能的互鎖電壓比較器組，當(dāng)某一比較器翻轉(zhuǎn)而輸出高電平時，其他比較器因反相端電位升高而不能翻轉(zhuǎn)，故名單音選擇器。這時摸擬開關(guān)可以取消而代之以晶體管開關(guān)，因而總的成本不增加。由于電壓比較器可以具有適當(dāng)回差，因而它具有使音階易于保持的優(yōu)點。
以上兩種方案均采用硬件進行實時處理，效果較理想，但實踐表明當(dāng)延時不超過20～30MS時，人耳并不感到明顯的琴音滯后，因而采用適當(dāng)?shù)某绦蚣败浖彩强尚械摹?br> 實施例3(見附圖3)采用數(shù)控濾波器和數(shù)控開關(guān)器取代上述濾波器和摸擬開關(guān)器組的方案。它使硬件數(shù)量減少，裝配變得簡單。這是一種掃描工作方式，時序脈沖經(jīng)譯碼器(計數(shù)器)變?yōu)榈刂反a，控制地址譯碼的多路開關(guān)器(1)和(2)，其中開關(guān)器(1)(可以是2只)用以改變帶通或帶阻濾波器的RC參數(shù)，使之順序諧振于各音階頻率，開關(guān)器(2)將電壓比較器之高電平同步地送往各晶體管開關(guān)(或摸擬開關(guān))使之導(dǎo)通。由于濾波器響應(yīng)時間的限制，掃描頻率不能很快，是這種方法的缺點，為了減少延時，在電壓比較器翻轉(zhuǎn)后經(jīng)過時間小于脈沖周期的短暫延時就立即使計數(shù)器清零，開始下一輪掃描。
實施例4(附圖4)取消了所有的帶通濾波器，頻率的分析及摸擬開關(guān)的驅(qū)動由計算機及相應(yīng)軟件完成，這些工作對于計算機來說極易完成，因而相應(yīng)的硬件及軟件都可以很簡單。
在硬件部份，基頻檢測器輸出經(jīng)過一個采樣閘門送往計數(shù)器，在閘門開啟時間內(nèi)該計數(shù)器的累計數(shù)做為采樣數(shù)據(jù)送入1/0口，需要注意的是，為了使最低的基頻(100HZ)能在盡可能短的采樣時間(例如10MS)內(nèi)得到準(zhǔn)確的計數(shù)，應(yīng)預(yù)先采取倍頻措施，這可在基頻檢測器(見附圖5)中取N＞20來Ｖぃ∟＝20時相應(yīng)的計數(shù)誤差為5%，相當(dāng)于80音分，分辯力嫌低)。但是N值也不宜過大，N＞30，最高基頻(880HZ)的計數(shù)值超過256，使用8位微機就有困難了。因此要在成本和性能上折中考慮。在輸出部分，并行1/0接口的輸出代碼驅(qū)動地址譯碼的多路開關(guān)，使標(biāo)準(zhǔn)音律發(fā)生器的相應(yīng)音階觸點接通。
在軟件部份，標(biāo)準(zhǔn)音階頻率的計數(shù)值(經(jīng)過倍頻)預(yù)先固化在ROM里，用一個循環(huán)程序?qū)⒉蓸又抵鹨慌c它們比較，這里需要做一個除法及比較運算，當(dāng)采樣值A(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)值B的相對偏差A(yù)/B-1小于預(yù)先設(shè)定的音準(zhǔn)度常數(shù)時時，即向摸擬開關(guān)輸出控制信號，同時程序返回初始化狀態(tài)，這樣就節(jié)約了后面一段循環(huán)比較時間，使延時減少，這是很重要的。如前所述，由于N值不能取大，故計數(shù)誤差對8位微機達3～5%(相應(yīng)的，C值不能小于0.03～0.05，相當(dāng)于50～80音分)，因而低頻端的分辯力是較差的。
這種方案的缺點是延時較多和成本較高(至少在目前)，優(yōu)點是硬件中電容器最少，有利于集成，可以用軟件來選擇ROM中的標(biāo)準(zhǔn)值，因而轉(zhuǎn)調(diào)方便。這是因為，事實證明，隨意琴不宜使用全部的十二個平均律音階來工作，這時由于所有的相鄰音階間距離都很近，將給演唱者帶來較大的困難，一般以五聲音階或七聲音階的方式工作，用開關(guān)選擇調(diào)性，因而當(dāng)調(diào)性較多時，開關(guān)就很復(fù)雜，本方案則避免了使用這種開關(guān)。
附圖5是基頻檢測器F的電路結(jié)構(gòu)圖，與前述申請案不同之處是自適應(yīng)濾波器和自適應(yīng)分離器的控制電壓來自另一路基頻檢測器，這樣雖然復(fù)雜一些，但是換來了電路更高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。分頻系數(shù)N除在實施例4中取較大的值外，前3個實施例中可取較小的值或不用分頻器(N＝1)。
前述四個實施例均采用在基頻檢測器后進行頻率分析的方案。為了進一步簡化電路并避免基于波形分析法的基頻檢測器所帶來的固有缺點，可以取消基頻檢測器而將信號直接饋入。但是當(dāng)信號的諧波幅值大于基波幅值時，將會產(chǎn)生錯誤，因此這種簡單方法的應(yīng)用范圍受到很大限制。解決的辦法是，采用順序比較的方法尋找?guī)V波器組中靠近些低頻端的第一個極大值，即為信號的基頻，這是因為，任何周期性信號總可以分解為基頻和它的各次諧波之和，而基頻總是位于信號頻譜的低端，因此，這種辦法的實質(zhì)就是利用了公知的富里葉頻譜分析原理。
實施例5(附圖6)給出了采用數(shù)控掃描開關(guān)來完成上述工作的方案。信號饋入一組諧振于各標(biāo)準(zhǔn)音階頻率的帶通濾波器，數(shù)控開關(guān)從低端向高端掃描，將濾波器的輸出饋入比較電路，比較電路找到第一個極大值后，輸出高電平，經(jīng)同步工作的另一個數(shù)控開關(guān)去驅(qū)動音律發(fā)生器。
圖6中虛線框內(nèi)是兩種比較器方案，經(jīng)A/D變換后用微機對一組數(shù)字量進行比較成本較高，此時數(shù)控開關(guān)時鐘取自微機。另一較簡單而實用的方案是由一種帶記憶的電壓比較器來完成上述功能。圖中R3用以使靜態(tài)時比較器輸出低電平，其值遠大于R1與R2之和。C1是記憶電容，時間常數(shù)(R1+R2)·C1應(yīng)能使C1在開關(guān)的接通時間內(nèi)充電基本完成。在掃描開關(guān)逐漸向極大值接近的過程中C1始終充電，電壓比較器保持低電平輸出，極大值過后，C1放電，電壓比較器同相端電位高于反相端而輸出高電平，由同步的摸擬開關(guān)輸出，與此同時，略經(jīng)延時即使計數(shù)器清零，開始下一輪掃描，接線時需要注意的是掃描開關(guān)在接通具有極大值輸出的濾波器時比較器并不給出高電平，而是在下一位才給出高電平。另外濾波器的輸出，經(jīng)過一個有效值整流器將更有利于比較器判斷的準(zhǔn)確性。
進一步可以采用實施例3的數(shù)控濾波器與上述數(shù)控開關(guān)同步工作但掃描速度必須較慢。
由于帶通濾波器的輸出(經(jīng)過有效值整流)反映了信號的平均能量，而與信號間相位的變化關(guān)系較少，故本方案可以允許多個發(fā)聲體做為聲源。發(fā)聲體間可能出現(xiàn)的差拍頻率由于遠在通帶之外，故不會干擾本裝置工作。
權(quán)利要求
1.隨意琴的開關(guān)器組，其特征在于信號或信號的基頻不經(jīng)過任何變換即被送入一個直接進行頻率分析的裝置，該裝置預(yù)先確定好一組頻率值，當(dāng)信號的頻率與該值接近時模擬開關(guān)器被開啟。
2.一種周期性信號的基頻檢測方法，其特征在于信號被送入一組中心頻率由低到高順序排列的帶通濾波器組，比掀鞔擁投絲賈鶇偽冉舷嗔諑瞬ㄆ韉氖涑觶諞桓鼉哂屑籩凳涑齙穆瞬ㄆ鰨渲行鈉德始創(chuàng)砹誦畔⒒怠
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)器組，其特征在于頻率分析裝置由一組帶通濾波器，電壓比較器及摸擬開關(guān)組成。
4.據(jù)利要求1所述的開關(guān)器組，其特征在于頻率分析裝置由數(shù)控濾波器，電壓比較器及摸擬開關(guān)組成。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)器組，其特征在于頻率分析裝置由計數(shù)器及將該計數(shù)值與ROM中預(yù)先存入的數(shù)據(jù)進行比較而驅(qū)動摸擬開關(guān)的微機系統(tǒng)組成。
6.據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于電壓比較器被取消其功能由摸擬開關(guān)閥電平所取代。
全文摘要
隨意琴的開關(guān)器組，采用直接對輸入信號頻率進行分析的裝置，以實時的或程序的方式動作，使開關(guān)器組的可靠性提高。
文檔編號G10H1/18GK1034083SQ8810004
公開日1989年7月19日 申請日期1988年1月3日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月3日
發(fā)明者陳學(xué)煌 申請人:陳學(xué)煌