专利名称：智能音乐多用仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种音乐仪器，特别是具有标准定音音源输出功能、节拍功能、固定音名唱名对照教学功能、器乐声乐音高及音高误差自动判断测试功能的智能化数字显示式的音乐多功能仪器。
目前作为音乐数学、声乐定音、非定音器乐校准(如管弦乐器等)、演奏及舞蹈、视唱训练来说主要需用到两种仪器，即校音器和节拍器。一定的音高具有一定的固定频率，长期以来，对于乐器和声乐的定音校准，人们一直沿用耳朵听力对比鉴别法来进行校准，即以音笛或音叉等音源发出的声音频率为定音标准，利用人耳对声音的频率鉴别力来判别乐器或演唱的音准，然后将乐器或演唱音准调校到人耳听力认为两者相一致时为止。这种校音方法由于受入耳对不同音高的频率鉴别力的影响，没有进行过音乐专业训练的音乐爱好者，特别是早期没有接受过音乐器乐、声乐教育训练的青少年儿童，在相当长的时期内都很难把唱音或乐器音准调校到应有的音准上，其音准偏差一般高达10个音分以上，远远超出3个音分的基本音准要求，从而造成乐器音准偏差和耳朵音准偏差的恶性循环。除了入耳音高频率鉴别误差外，作为标准定音音源的音叉、音笛等，由于受材料和制作工艺及环境温度等的影响，其固有频率除有基本误差外还会发生漂移，其准确度只能达到百分之几到千分之几量级，且一般只有单一标准音输出，不能满足人们简便地进行高精度、宽范围定音、校音的需要。
作为演出节奏训练用的节拍器，目前仍以机械节拍器为主，其原理是利用调节机械单摆的有效摆长来控制单摆的振动周期。这种机械式节拍器其加工精度要求高，节奏调节粗糙，容易磨损，不能连续长期工作，并需经常上条。虽然国内外先后生产过多种型号的全电子式的节拍器，但大都利用RC充放电时间为常量的原理，通过调节R的值来控制节奏。利用这一原理生产的电子节拍器，其最大的缺点在于其输出的节奏值很难与标尺刻度相一致，其准确度误差高达百分之十左右，且可调电阻器极易磨损。还有一种电子节拍器是利用晶体振荡器作为振荡源，采用改变硬件数字逻辑电路分频级数的方法来改变输出节奏。这种电路虽然节奏输出精度高，但若需要得到足够细的节奏输出值，其电路和仪器结构就相当复杂，成本也迅速增加。
作为音乐乐理教学来说，由于需进行变调视唱训练，因各调的固定音名与固定唱名不同，需按一定规律变化，而目前尚无进行各调固定音名唱名对照教学的仪器。
本实用新型的目的是解决人耳对音高频率鉴别存在误差的问题，在现有仪器的基础上，设计一种精度高、调节使用方便、具有判断、测试乐器或声乐音高及音高误差功能的且将节拍功能及标准定音音源功能、固定音名唱名对照教学功能合为一体的数字显示式智能化音乐多功能仪器。
本实用新型由声电变换器、输入带通滤波放大器、斯密特触发器、单片计算机系统、链盘、音响效果电路、音频输出功率放大器、扬声器、数据显示电路和电子摆电路构成，声电变换器、输入带通滤波放大器、斯密特触发器、单片计算机系统、音响效果电路、音频输出功率放大器和扬声器的输入输出端顺序相连，数据显示驱动器和电子摆驱动器的输入端分别与单片计算机输出数据口相连，该单片计算机系统是本仪器的核心，由中央处理器、特殊功能寄存器、晶体振荡器、片内可编程定时计数器、输入输出口、片内数据存储器、程序存储器和地址锁存器等几部分构成，在软件的支特下可完成多种复杂的控制和计算功能。单片计算机在监控软件的控制下对键盘进行扫描。当有键命令输入时，通过软件译码和键执行功能，计算机自动将仪器的工作状态切换到人工所选择的标准音输出或节拍音输出、控制调整、自动校音等功能状态上。
与现有技术相比，本智能音乐多用仪的独特之处在于设置了输入带通滤波放大器、斯密特触发器和电子摆电路。带通滤波放大器和斯密特触发器的设置是为了提高仪器的抗干扰能力，同时监控软件内编制有数字滤波软件以进一步提高测试结果的准确度和可靠性。检测时，带通滤波放大器首先将检测频带外的噪音信号进行衰减，使它不能通过斯密特触发器，同时滤去带内信号的部分高次谐波。斯密特触发器对经放大后的输入信号进行整形并有削去部分脉动干扰信号。数字滤波软件由输入脉宽检测程序、坏值剔除程序、数组M(m)测试脉冲周期误差比较等子程序模块构成。在检测工作模式下，当单片计算机检测到有信号脉冲输入时，开启片内定计时器对信号脉冲宽度和周期进行测量。数字滤波软件首先检测输入脉冲宽度是否在允许范围内，以进一步屏蔽掉带外信号，若是，则分别计测M组，每组m个脉冲周期的时间，并剔除坏值，然后比较所测得的该M组脉冲周期相互之间的误差是否在允许范围内，以排除随机干扰脉冲信号的影响。若是，则计算出信号脉冲的平均频率并进入音高判断和音高误差计算处理，否则判输入信号无效而重新进入下一测试周期。
本智能音乐多用仪中的电子摆兼模拟音高显示器。当仪器工作状态是标准音输出时，单片计算机还要将固定唱名数据送入模拟音高显器以显示固定唱名数据。若是节拍音输出时，单片计算机软件要通过控制电子开关的状态来控制节拍音输出的音响间歇时间，并通过数据输出口控制电子摆的摆动周期和摆动方向。电子摆由电子摆驱动器和N个发光二极管组成，电子摆驱动器是一组移位寄存器。移位寄存器的移位脉冲信号输入端与单片计算机的移位脉冲输出口相连。计算机将一个节拍音周期平分为2N个电子摆移位脉冲周期，在一个节拍周期内，通过输出口以正向和反向方式顺序向移位寄存器输出2N个驱动发光二极管的移位脉冲点燃信号，从而使电子摆的发光二极管连续顺序发光，给人以来回摆动的直观视觉。由于单片机片内可编程定时器的可编程定时常数范围非常宽，因此标准音和节拍音的输出范围也可做得非常宽和足够地细，同时利用数据显示器和模拟音高显示器可方便地得到标准音各调式固定音名、唱名的对照数据。
由于本实用新型采用了输入带通滤波器、斯密特触发器电子摆电路及音响效果电路，使本仪器较之现有同类仪器具有更好的抗干扰能力和音响效果，并能将节拍音以光的形式产生来回摆动的直观视觉，在软件的支持下，使本仪器具有智能化程度高、操作简捷方便、仪器可靠性高，工作范围宽、精度高、成本低、调整环节少、无磨损、便于批量生产和推广的显著优点。
以下结合附图进一步说明本实用新型
图1电路方框图图2电原理图本实用新型由声电变换器、输入带通滤波放大器、斯密特触发器、单片计算机系统、链盘、音响效果电路、扬声器、数显器及其驱动器和电子摆及其驱动器构成，声电变换器、输入带通滤波放大器、斯密特触发器、单片机系统、音响效果电路和扬声器的输入输出端顺序连接，单片机的输出数据口分别与数据显示驱动器和电子摆驱动器相连。
在电原理图中，MIC为声电变换器，运算放大器A1、电阻R2—4、电容C4—5构成输入带通滤波放大器，运放A2、电阻R5～7、二极管D1构成斯密特触发器，IC1为中央处理器，IC2为程序存储器、IC3为地址锁存器，IC4为电子摆驱动器，IC5为数据显示驱动器，IC6为稳压器、G1—4和IC5为数显驱动器，D2～nN个发光二极管构成电子摆，IC4为电子摆驱动电路。该电子摆同时兼模拟音高显示器，运放O1、G5、二极管D12、电位器W1、电阻R21—23、电容C6—9和扬声器S1构成音响效果处理电路和音频输出功率放大器。
单片计算机系统是本仪器的核心，由IC1中央处理器、特殊功能寄存器、晶体振荡器CR，片内可编程定时计数器、输入输出接口、片内数据存储器、程序存储器IC2、地址锁存器IC3等几部分构成，单片机在监控软件的控制下对键盘扫描，当有键命令输入时，通过软件键译码和健执行功能，计算机自动将仪器的工作状态切换到人工选择的标准音输出或节拍音输出控制调整、自动校音等功能状态上。
本智能音乐多用仪在软件支持下可实现如下功能，分述如下1、标准定音音源功能、节拍功能和固定音名唱名对照教学功能本实施例的标准音源输出功能和节拍音输出功能可统一认为是一个标准信号发生功能，只是频率不同，显示指示方式不同而已。前者可替代音叉，音笛等作为标准定音信号，后者用于替代节拍器。
标准信号发生功能是在软件的支持下，单片计算机根据人工通过键盘预选的标准音名或节拍值，计算并编程片内可编程定时计数器的定时值，对晶振频率进行选定进制的分频，并开启定时器中断。因此片内定时器溢出时产生的中断频率即对应标准音的频率。每当定时器中断一次，软件就控制单片机的音频输出口电平反相一次，从而在单片机输出口得到连续的标准音或节拍音脉冲电平信号。将该标准音或节拍音信号送到音频输出功率放大器进行放大，并驱动扬声器发声，得到所需的定音标准或节拍音响。与此同时单片计算机通过显示数据输出口输出固定音名数据或节拍数据到数据显示驱动器上，以驱动数据显示器指示出标准音的调式、固定音名或拍子值以及拍速值、仪器的当前工作状态。
2、器乐、声乐音高及音高误差自动判断测试功能该功能是将被测试的乐器或声乐的音响信号经拾音器MIC拾音并转换为电信号，送入带通滤波放大器、斯密特触发器进行放大，整形，再送入计算机的信号检测输入口进行数字滤波和计算处理，最后显示出测得的音高值和音准误差。
音高的自动判别和音高误差的计算在本实施例中，监控软件设计有一套标准音高的数据库，库内每一数据对应一个固定的音高值。计算机在软件指令的控制下将所测得的器乐、声乐音响信号频率数据与数据库内的数据进行比较，当找到两者差值为最小的那一个数据时，所对应的音高即为被校测的乐器或声乐的音高，两者间的差值即为音高误差。计算机分别将音高误差和音高值送入数据显示器和模拟音高指示器，从而完成了自动音高和音高误差判断测试的全过程。
由本实用例可知，对乐器和声乐音响信号的音准及音高误差的判别完全由仪器内的单片计算机来进行自动识别和计算，并以数字方式显示出音高和音高误差，因而完全避免了入耳听力音准鉴别率误差带来的校音误差，以及音叉、音笛等低精度音源引入的校音误差，大大提高了校音准确度和方便性。另外，由于采用了单片计算机系统，使得各个功能音的切换和节拍值、拍速、标准音的高低的调节等均可以通过键盘进行，在软件的支持下，不增加硬件开销可充分利用单片计算机片内资源而得到多种功能，因而智能化程度高、操作简捷方便、仪器可靠性高、工作范围宽、精度高、成本低、调整环节少、无磨损、便于批量生产和推广。样机实验结果表明该音乐多功能仪标准音输出准确度和对乐器和声乐的音准测试可达零点几到千分之几个音分以上的音准精度等级，节拍音准确度可优于1拍/每小时。
本实施例中，音频功率输出放大器的输入端串接的R21、R22、R23、D12、C6、G5、C9等元件组成音响效果电路，可在单片机的控制下产生各种音响效果。如当单片机输出口有音频信号输出时，设G5由单片机控制为关断状态，在时间常数为T＝R21×C6范围内电容C8将按指数衰减曲线进行充电而使功率输出放大器的输入端迭加一个由强到弱的信号，从而得到的音响声产生打击乐器的碰撞音效果。
综上，本智能音乐多用仪是一种智能化程度高、功能强、输出范围宽、精度高、测量准确、操作简捷方便、可靠性高、成本低、调整环节少的音乐多用仪。
权利要求1.智能音乐多用仪，包括单片计算机系统、数字键盘输入电路、驱动电路、数据显示电路、音频功放电路和扬声器，单片计算机系统由中央处理器，特殊功能寄存器、晶体振荡器、片内可编程定时计数器、输入输出口、片内数据存储器、程序存储器、地址锁存器等几部分构成，其特征是该多用仪具有输入带通滤波放大器、斯密特触发器和电子摆电路，电子摆兼模拟音高指示器，其驱动电路输入端与数据显示驱动电路输入端分别与单片计算机输出数据口相连接，声电变换器、输入带通滤波放大器，斯密特触发器、单片机、音频功率放大器和扬声器的输入输出端依次顺序相连。
2.按照权利要求1所述的智能音乐多用仪，其特征是在单片机与音频功放电路之间接入了音响效果电路，该电路由G5、D12、R21～23、C9构成。
3.按照权利要求1和2所述的智能音乐多用仪，其特征是电子摆由数个发光二极管构成。
专利摘要本实用新型是一种具有普遍推广意义的音乐仪器。它由单片计算机、键盘、音频输出功率放大器、扬声器、拾音器、输入信号带通滤波放大器、斯密特触发器、数据显示驱动器、数据显示器、电子摆驱动器、电子摆兼模拟音高指示器，监控计算软件等几部分组成，集标准定音音源输出、节拍声光输出、固定音名唱名对照、音响效果处理、器乐、声乐、音高及音高误差判断测试等多种功能为一体，具有智能化程度高、功能强、输出范围宽、精度高、测量准确、操作简捷方便、可靠性高、成本低、调整环节少的优点。
文档编号G10G7/00GK2224455SQ94227289
公开日1996年4月10日 申请日期1994年3月14日 优先权日1994年3月14日
发明者李俊中 申请人:李俊中