用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路及其方法與流程

本發明涉及電聲樂器技術領域，尤其涉及一種用于電子琴的觸鍵信號多通道處理方法及其電路。

背景技術：

電子琴又稱作電子鍵盤，發音音量可以自由調節，具有音域較寬、和聲豐富、可模仿多種音色、可配備類似打擊樂音響的節拍伴奏和加裝效果器等優點，在現代音樂演奏中應用十分廣泛。傳統的電子琴無法將琴鍵觸鍵深度和觸鍵速度與電子琴音相關聯，在演奏過程中，電子琴的旋律與和聲過于單一，缺乏音量變化。而采用壓電駐極體材料作為傳感器的壓電駐極體柔性薄膜電子琴則克服了傳統電子琴的缺陷，極大地豐富了電子琴的音樂表現力。但是，因為壓電駐極體材料具有較大的內阻，所以壓電駐極體柔性薄膜電子琴容易受外部環境震動影響，難以提取有效琴音信號。另外，目前的電子琴多通道處理設計也無法準確提取琴音信號，精確控制琴音的音量和音色。

如中國專利申請號為03273498.0，公開了一種可通過按鍵壓力控制音量的電子琴，該電子琴的音樂鍵中采用的導電膠條中包括多個交錯排列的垂直絕緣層和垂直導電層，并在其頂部設有用于將各垂直導電層相互短接的短接導電層；所述導電膠條的底部部分地支撐于電路板上，在導電膠條底部所面對的電路板上設有輸入信號線和多條輸出信號線；該導電膠條受壓后其底部產生變形，使其底部與電路板之間的支撐面積隨壓力的增加而逐漸增大，從而可依次接通第一、第二、直至最后一條輸出信號線；根據其中被接通的第一條輸出信號線可合成音符信號，根據被接通的輸出信號線條數則可合成相應的音量信號。該結構通過導電膠條底部與輸出信號線的接觸導通進而感應按鍵的輕重，制作復雜，容易判斷不準，造成琴音不準確或雜音的情況。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是一種用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴，并能快速準確提取琴音信號，降低環境影響，控制琴音變化的多通道處理電路及其方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：

用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路，所述觸鍵信號多通道處理電路包括多個分別連接至單片機電路的分組電路，每組所述分組電路包括信號判別通道電路、信號選擇處理通道電路和設于電子琴琴鍵上的與琴鍵個數對應的壓電駐極體傳感器，所述信號選擇處理通道電路包括依次串聯的通道選擇開關電路和信號處理電路；每組所述分組電路上的所述壓電駐極體傳感器的輸出端均分別連接至所述信號判別通道電路和所述通道選擇開關電路的輸入端，所述信號判別通道電路的輸出端與所述單片機電路連接，所述通道選擇開關電路的輸出端經所述信號處理電路連接至所述單片機電路，所述通道選擇開關電路還與所述單片機電路的控制信號輸出端連接；所述通道選擇電路包括多路通道控制開關，所述壓電駐極體傳感器的輸出端與所述多路通道控制開關的輸入端分別一一對應連接，所述壓電駐極體傳感器在對應琴鍵按下時產生觸鍵信號。

優選地，所述信號判別通道電路包括積分電容、第一電阻、第二電阻、可調電阻、比較器和邏輯運算器，所述壓電駐極體傳感器與所述積分電容連接后接地；所述比較器的正相輸入端連接在所述壓電駐極體傳感器上，所述比較器的反相輸入端經串聯的所述第二電阻和所述可調電阻后接地，所述比較器的輸出端與所述邏輯運算器的輸入端連接，所述比較器電源端和輸出端之間串聯有所述第一電阻。

優選地，所述信號處理電路包括依次串聯的電荷放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50Hz陷波電路、多級放大電路電路、電平抬升電路電路和限幅電路。

如所述用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路結構的處理方法，包括下述步驟：1)將電子琴琴鍵平均分為若干分組，每組對應一個所述分組電路；2)通過所述單片機檢測是否有觸鍵信號發生；3)通過所述單片機檢測發生的觸鍵信號的所屬分組；4)通過相應分組的所述多路通道控制開關開啟相應琴鍵通道，檢測產生觸鍵信號的琴鍵；5)通過所述信號處理電路將觸鍵信號處理后送入所述單片機；6)通過所述單片機進行觸鍵信號的頻率和幅度的計算。

為了降低單片機的負荷，步驟2)中，每組琴鍵中的觸鍵信號發生時產生相應的外部中斷信號，通過所述單片機檢測所述外部中斷信號判斷是否有觸鍵信號發生。

為了使觸鍵信號之間互不影響，加快單片機處理速度，步驟3)中，所述單片機通過外部中斷信號確定發生觸鍵信號的分組，并且在步驟4)中通過該分組的所述多路通道控制開關進行琴鍵掃描以檢測產生觸鍵信號的琴鍵。

為了降低環境震動影響，步驟6)中，單片機計算時設置有用于排除低電壓波動所產生的干擾的免干擾電壓閾值，當檢測到觸鍵信號電壓超過所述免干擾電壓閾值時，則記下第一時間；當信號電壓上升，并再次下降到所述免干擾電壓閾值時，則記下第二時間，通過兩次時間的時間差計算出觸鍵信號的頻率，并且根據觸鍵信號峰峰值電壓，得出觸鍵信號的幅度。

為了精確控制琴音音色和音量，步驟6)中，所述觸鍵信號的頻率控制琴音音調的輸出，琴音音調隨著所述頻率的加快而增高；所述觸鍵信號的幅度控制琴音音量的輸出，琴音音量隨著所述幅度增高而增大；所述琴音音調的變化和所述音量的變化共同影響琴音變化。

與現有技術相比，本發明的優點在于通過信號判別電路和通道選擇開關的設置，快速檢測觸鍵信號發生的相應分組和琴鍵，避免了其他琴鍵的觸鍵信號干擾，提高輸出琴音的精確性。本發明還通過設置免干擾閾值電壓，降低環境對于琴音的影響，進一步提高琴音表現力。

附圖說明

圖1是本發明實施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的其中一組分組電路的功能方框示意圖。

圖2是本發明實施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的信號判別通道電路的電路示意圖。

圖3是本發明實施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路中的信號處理電路的功能方框示意圖。

圖4是本發明實施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理方法中觸鍵時傳感器輸出信號的示意圖。

圖5是本發明實施例的用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理方法的流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

如圖1-3所示，本發明提供了用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路，該觸鍵信號多通道處理電路包括多個分別連接至單片機電路5的分組電路，每組分組電路包括信號判別通道電路1、信號選擇處理通道電路2和設于電子琴琴鍵上的與琴鍵個數對應的壓電駐極體傳感器，信號選擇處理通道電路2包括依次串聯的通道選擇開關電路3和信號處理電路4。

每組分組電路上的壓電駐極體傳感器的輸出端均分別連接至信號判別通道電路1和通道選擇開關電路3的輸入端，并且信號判別通道電路1的輸出端與所述單片機電路5連接，通道選擇開關電路3的輸出端經所述信號處理電路4連接至所述單片機電路5，通道選擇開關電路3還與單片機電路5的控制信號輸出端連接。通道選擇電路2包括多路通道控制開關，壓電駐極體傳感器的輸出端與該多路通道控制開關的輸入端分別一一對應連接。

用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴多采用88鍵或61鍵，本實施例以88路琴鍵電子琴為例。通過將88路琴鍵平均分為11組，形成11組并聯的分組電路，每組分組電路包括8個琴鍵，琴鍵上的傳感器都能在相應琴鍵按下時產生觸鍵信號。當琴鍵按下時，傳感器能夠產生觸鍵信號，信號判別通道電路1在觸鍵信號發生時產生外部中斷信號，啟動單片機電路5，使單片機電路5控制通道選擇開關電路3進行琴鍵掃描，打開產生相應觸鍵信號的琴鍵通道，并且通過信號處理電路4將觸鍵信號處理后送至單片機電路5進行計算。

如圖2所示，信號判別通道電路1包括積分電容C1、第一電阻R1、第二電阻R2、可調電阻RP、比較器U1A和邏輯運算器U2。琴鍵傳感器與積分電容C1連接后接地，用于將壓電駐極體傳感器上的電荷量進行積分，轉換為電壓量，使比較器U1A能夠進行采集。比較器U1A的正相輸入端連接在傳感器上，比較器U1A的反相輸入端經串聯的第二電阻R2和可調電阻RP后接地，比較器U1A的輸出端與邏輯運算器U2的采集引腳P2.0連接，比較器U1A電源端和輸出端之間串聯有第一電阻R1。其中，第一電阻R1能夠將比較器U1A的輸出口進行上拉，使邏輯運算器U2能夠采集比較器U1A輸出的信號，第二電阻R2和可調電阻RP用于調節比較器U1A的參考電壓。為了保護邏輯運算器U2和比較器U1A，兩者電源端均設有去耦濾波電路，該去耦濾波電路分別由去耦電容C2和C3構成。比較器U1A用于將同相和反相輸入的電壓做比較，輸出0或者VCC的電壓。本實施例采用四比較器LM2901和八輸入通道與非門的邏輯運算器74HC30。

其中，每一組中有琴鍵按下時，觸鍵信號產生，并且依次使相應分組的比較器U1A和邏輯運算器U2的輸出電壓由低電壓變為高電壓，進而使單片機輸入電壓也變為高電壓，產生外部中斷信號。

多路通道控制開關的輸出端經信號處理電路4連接至單片機電路5的輸入端。單片機電路5的控制信號輸出端與多路通道控制開關連接，用于啟動多路通道控制開關進行琴鍵掃描。

如圖3所示，信號處理電路4包括依次串聯的電荷放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、50Hz陷波電路、多級放大電路電路、電平抬升電路電路和限幅電路。其中：

通道選擇開關電路，包括多路通道控制開關器，在單片機控制下切換琴鍵通道，用于琴鍵掃描，開啟相應觸鍵信號的琴鍵開關；

電荷放大電路，將電子琴的壓電駐極體傳感器上因機電轉換產生的微弱電荷量變換為電壓量，以供后級電路處理；

低通濾波電路，是包括集成運算放大器和外圍阻容元件的多路增益反饋式四階低通濾波電路，截止頻率為30Hz，阻帶內衰減大于40dB，用于濾除無用的雜波信號和電路中耦合的50Hz工頻；

高通濾波電路，是包括集成運算放大器外圍阻容元件的多路增益反饋式四階高通濾波電路，截止頻率為0.5Hz，阻帶內衰減大于15dB，用于濾除低于0.5Hz的慢變化干擾信號以及阻礙直流信號；

50Hz陷波電路，是包括集成運算放大器和外圍阻容元件的雙T網絡陷波電路，中心頻率為50.02Hz，帶寬為1Hz，進一步濾除電路中耦合的50Hz工頻；

多級放大電路，是包括集成運算放大器LM358何外圍阻容元件的多級反向比例放大電路，放大增益為20-1000，用于將微弱的觸鍵信號進行放大至V級電壓水平；

電平抬升電路，包括集成運算放大器和外圍阻容元件，用于提升放大后信號的直流點位值，使后期的單片機能夠采集；

限幅電路，進行電壓限幅，避免信號峰峰值較大而超過單片機容許的電壓值，對單片機采集輸入引腳進行保護。

當按下琴鍵時，觸鍵信號經過比較器U1A比較輸出VCC的電平，進而依次改變邏輯運算器U2的輸出電壓和單片機的輸入電壓，產生外部中斷信號，觸發單片機啟動。同時，單片機也通過外部中斷信號判斷出觸鍵信號所屬分組，啟動該組的多路通道控制開關，通過該多路通道控制開關開啟琴鍵通道檢測是否有觸鍵信號，直至切換到產生相應觸鍵信號的琴鍵通道。觸鍵信號通過琴鍵通道后，經電荷放大電路，將電荷量轉換為電壓量，進而送至低通濾波電路、高通濾波電路和50Hz陷波電路以濾除掉0.5-30Hz以外的干擾信號，再經多級放大電路和電平抬升電路后輸出信號峰峰值為1-2V的觸鍵信號，該觸鍵信號經過限幅電路后送入單片機。

如圖5所示，本發明還提供了的應用上述用于壓電駐極體柔性薄膜電子琴的觸鍵信號多通道處理電路結構的處理方法，首先將電子琴琴鍵平均分為多個分組，每組對應一個上述的分組電路；其次通過單片機檢測是否有觸鍵信號發生；然后通過單片機檢測發生觸鍵信號的所屬分組；并且通過相應分組的多路通道控制開關開啟相應琴鍵通道，檢測產生觸鍵信號的琴鍵；然后通過信號處理電路4將觸鍵信號處理后送入單片機；最后通過單片機進行觸鍵信號的頻率和幅度的計算。

所述觸鍵信號多通道處理方法具體步驟如下：

1)、分組。本實施例中將88路電子琴的琴鍵平均分為11組，每組包含8個琴鍵。每個琴鍵都具有一個壓電駐極體傳感器，當琴鍵按下時，傳感器能夠產生相對應的觸鍵信號。

2)、判斷是否有觸鍵信號發生。當有琴鍵按下時，傳感器產生觸鍵信號，該觸鍵信號通過相應分組的信號判別通道電路1產生外部中斷信號，單片機通過采集該外部中斷信號以確定觸鍵信號是否產生，從而啟動單片機進行琴鍵掃描，進行下一步驟。若無觸鍵信號發生，單片機則不行動。

3)、檢測具體分組。單片機通過外部中斷信號確定發生觸鍵信號的分組，從而啟動相應分組的通道選擇開關電路3中的多路通道控制開關進行琴鍵掃描，以檢測產生觸鍵信號的琴鍵。

4)、檢測具體琴鍵。多路通道控制開關開啟琴鍵通道，采集相應的通道內的信號，若該通道無觸鍵信號，則切換琴鍵通道，直至檢測出相應觸鍵信號使觸鍵信號通過進入下一步驟。

5)、采集觸鍵信號。觸鍵信號經過信號處理電路4處理后送入單片機。

6)、計算觸鍵信號的幅度和頻率。計算示意圖如圖4，橫坐標表示電子琴工作時間，縱坐標表示琴鍵傳感器的輸出電壓，A峰為按壓琴鍵時傳感器輸出電壓隨時間的變化的波形圖，B峰為釋放琴鍵時傳感器輸出電壓隨時間變化的波形圖，Vth為用于排除低電壓波動所產生的干擾的免干擾電壓閾值。當檢測到觸鍵信號電壓超過Vth時，則記下此時的時間，為第一時間t1；當信號電壓上升，并再次下降到Vth時，則記下此時的時間，為第二時間t2。通過t2-t1即可計算出觸鍵信號的頻率，即頻率＝1/(t2-t1)。同時，根據觸鍵信號峰峰值電壓V0，即可得出觸鍵信號的幅度，即幅度＝V0。

其中，觸鍵信號的頻率控制琴音音調的輸出，琴音音調隨著觸鍵信號頻率的加快而增高。幅度控制琴音音量的輸出，琴音音量隨著觸鍵信號幅度增高而增大。琴音音調的變化和音量的變化共同影響琴音變化。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。