專利名稱：為電驅(qū)動設(shè)備置入和提取控制信號的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向電驅(qū)動設(shè)備提供控制信號。特別涉及為諸如玩偶和雕像之類的活動和講話的卡通人物中設(shè)置的電驅(qū)動設(shè)備置入和提取控制信號的系統(tǒng)和方法。
在許多領(lǐng)域中希望使一個動作或多個動作與所記錄聲音的播放同步。包含電動化面貌和/或身體部件的活動玩偶或雕像就是這樣一個領(lǐng)域。提供電控裝置以便在所希望的與所存儲聲跡信號相關(guān)的時間操作諸如電機(jī)之類的電驅(qū)動設(shè)備。這通常是借助一個聲道專用于音頻聲跡，一個或多個附加聲道專用于為電機(jī)傳送控制信號的多聲道播放系統(tǒng)，或根據(jù)其幅度和/或頻譜特性通過從音頻聲跡本身直接得到的電機(jī)控制信號進(jìn)行的。前一種多聲道裝置因其需要附加存儲聲道和播放電路而趨于昂貴。后一種裝置具有聲音和動作不同步的缺點(diǎn)，例如，因?yàn)樵捯粜盘柗炔灰欢ū硎咀匀恢v話中嘴部的張開程度，此外，由于背景音樂或聲音會造成機(jī)構(gòu)的誤驅(qū)動，妨礙了背景音樂或聲音的使用。因此，需要改進(jìn)電驅(qū)動設(shè)備的控制系統(tǒng)。
已經(jīng)公開了多種控制由卡通人物提供的動作和聲音的系統(tǒng)和方法。例如，F(xiàn)orsse等人的美國專利No.4,665,640公開了一種帶有與控制信號同步重放的可聽聲音的卡通人物機(jī)電控制器，并采用分離控制向電機(jī)提供信號。Curran等人的美國專利4,775,352公開了一種采用由音頻信號編碼的卡式磁帶的活動講話玩偶，該音頻信號包括基本頻率和操作二進(jìn)制開關(guān)的協(xié)調(diào)頻率定時信號。Mirahem的美國專利4,805,328公開了一種根據(jù)設(shè)定音頻信號閾值而不是提供經(jīng)混合的音頻和控制信號來響應(yīng)具有通-斷特性的音頻驅(qū)動信號的講話玩偶。另外，Berliner的美國專利4,808,142公開了一種采用具有中央處理器的語音合成系統(tǒng)的活動玩偶，中央處理器通過開關(guān)組件控制電機(jī)。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)專利沒有一份公開或建議采用疊加在音頻信號上為諸如玩偶或雕像之類活動人物提供同步的動作和聲音的控制信號的系統(tǒng)。
本發(fā)明通過提供記錄處理期間將AC控制信號與音頻信號聲跡混合，然后在播放步驟期間一旦檢測到控制信號出現(xiàn)則向諸如電機(jī)之類電驅(qū)動設(shè)備系統(tǒng)供電的系統(tǒng)和方法來克服現(xiàn)有卡通人物控制系統(tǒng)的上述缺陷。選擇控制信號頻率以便播放時使其處在用戶將要聽到的頻率范圍之外，以便在該播放期間控制信號可與音頻信號隔離。由于在組合信號存儲前將控制信號與音頻信號混合，因此可將它們二者同時存儲，然后通過單一聲道播放。另外，由于在先于記錄步驟期間可精確控制該控制信號和音頻信號之間的定時關(guān)系，當(dāng)控制和音頻信號混合和存儲時該定時關(guān)系變?yōu)楣潭?，動作和聲音的播放同步高度精確并可重復(fù)。
提供頻率在35-45Hz范圍內(nèi)的AC控制信號，該頻率處在播放時用戶將要聽到的音頻信號的頻率范圍之外。以播放期間當(dāng)希望由諸如電機(jī)之類電驅(qū)動設(shè)備執(zhí)行某些動作時出現(xiàn)控制信號分量的方式將控制信號與音頻信號混合。該混合信號存儲在諸如磁帶或數(shù)字存儲器這樣的音頻存儲介質(zhì)中。播放期間，通過適當(dāng)?shù)臑V波裝置從混合信號中提取該控制信號，并用來由例如電動機(jī)構(gòu)、燈等控制一個動作或多個動作。
本發(fā)明有利地提供了一種適宜于向諸如玩偶或雕像之類電驅(qū)動人物提供電控制信號和音頻信號的系統(tǒng)。它還提供了將控制信號與音頻信號混合，在存儲介質(zhì)中存儲所混合信號，然后恢復(fù)組合信號并將它們分別傳送到電驅(qū)動設(shè)備和音頻揚(yáng)聲器裝置的方法。
參考下列附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的記錄或編碼方法的簡化方框圖，包括信號混合和存儲步驟；圖2A-2D圖解示出如何將來自語言的音頻信號與其后提取的控制信號混合以便向諸如電機(jī)這樣的驅(qū)動設(shè)備提供幅度經(jīng)檢波的輸出信號；圖3示出播放或解碼方法的方框圖；和圖4示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明播放和解碼功能的電路。
圖1示出優(yōu)選實(shí)施例的記錄/編碼處理的簡化方框圖。可提供音樂或講話聲音的音頻信號源10，和控制信號發(fā)生器12的輸出二者作為輸入施加到混合器裝置14。如果音頻信號包括與控制信號接近的頻率，需要由濾波裝置13從音頻信號除去這些頻率，以便播放期間不會將音頻頻率誤檢波為控制信號。由于該優(yōu)選實(shí)施例采用例如35-45Hz的低頻控制信號，在混合器裝置14混合前利用高通濾波器13從音頻信號中除去該低頻。
可實(shí)時，即″當(dāng)場″或在諸如如今普遍采用的計(jì)算機(jī)化數(shù)字錄音室之類用于編輯存儲信號的系統(tǒng)中進(jìn)行信號混合。后一種方式明顯比實(shí)時方法容易并且更精確。經(jīng)混合的信號存儲在諸如磁帶記錄器或數(shù)字存儲器之類適當(dāng)?shù)拇鎯ρb置16中。
圖2A示出典型的語音聲音波形，圖2B示出與語音信號一起使用的低頻AC控制信號。優(yōu)選實(shí)施例中希望采用的控制信號頻率為40Hz，但也可以是略高或低的頻率。該頻率足以低到極少在人的語言中出現(xiàn)。但其0.025秒的波長短到足以容許處理延遲。由記錄操作器按時間安排和持續(xù)時間調(diào)節(jié)控制信號脈沖串，以提供聲跡和諸如卡通人物嘴部活動之類所希望動作之間的最佳同步。圖2C示出由混合器14混合在一起后的音頻和控制信號。由于希望將盡可能多的記錄/播放系統(tǒng)的動態(tài)范圍集中在音頻信號，通常以盡可能低的頻率等級記錄控制信號。然而，為清楚起見，圖2A-2C示出比通常使用電平高的控制信號。此后，混合信號存儲在諸如磁帶或數(shù)字存儲器件之類的某種存儲介質(zhì)16中。該優(yōu)選實(shí)施例采用數(shù)字存儲器型存儲器件作為安裝在圖4所示通?？傻玫降摹逶捯鬒C″中。
現(xiàn)在參考圖3，從存儲介質(zhì)提取存儲在20的混合音頻/控制信號并將其施加到將組合信號分離成其高頻音頻和低頻控制分量的兩個濾波器。混合信號鏈路中的高通濾波器21和放大器22通向揚(yáng)聲器24，并從即將由用戶聽到的高頻音頻信號中濾除低頻控制信號。如果控制信號的頻率在可聽范圍或重放范圍之外，為簡化該系統(tǒng)起見可取消高通濾波器21。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用的小揚(yáng)聲器不易重放頻率為35-45Hz的控制信號，因此即使不使用高通濾波器21基本上也聽不到控制信號。
控制信號的頻率可低于或高于播放時即將由用戶聽到的音頻信號的頻率。高頻控制信號因其波長比人的時間感覺閾值低出很多而具有提供更精確檢波的優(yōu)點(diǎn)。然而，在信號存儲和播放電路中，特別是在限定存儲資源的數(shù)字存儲系統(tǒng)中嚴(yán)重限制了其帶寬要求。為此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例采用頻率低于播放時即將由用戶聽到的音頻信號頻率的控制信號。
例如，一種應(yīng)用可將音頻帶寬限定到300Hz-2kHz，并采用低于300Hz或大于2kHz的控制頻率。另一方面，另一種應(yīng)用可要求100Hz-8kHz的音頻帶寬，因此要求控制信號低于100Hz或大于8kHz。
在通向諸如電機(jī)28之類電驅(qū)動設(shè)備的控制信號鏈路中，低通濾波器23起到濾除音頻信號并僅通過低頻控制信號的作用。應(yīng)指出，如果采用高頻控制信號，濾波器形態(tài)21和23應(yīng)相反，即低通濾波器23應(yīng)從揚(yáng)聲器通路濾除控制信號，而高通濾波器21從電機(jī)控制通路中的音頻提取控制信號。
來自低通濾波器23的信號施加到幅度檢波器25，幅度檢波器通常采取整流器的形式，該整流器得到與向其施加的AC控制信號的幅度成正比的DC電壓。圖2D示出幅度檢波器25的輸出信號。該信號施加到電平檢測器26，電平檢測器檢測幅度檢波器的輸出幅度是否超過固定閾值，幅度超過固定閾值的情況下啟動電機(jī)驅(qū)動器27，電機(jī)驅(qū)動器施加足夠的功率以驅(qū)動電機(jī)28。
如果電平檢測器26增益量大(即具有較陡的傳遞函數(shù))，電機(jī)28將完全接通或完全關(guān)斷。如果電平檢測器26具有較低增益(更加線性的傳遞函數(shù))，施加到電機(jī)28的功率將與幅度檢波器25的輸出略成正比，而這可能是某些裝備所希望的。
應(yīng)該指出，可重新排列或組合圖1和3中的一些框而基本上不改變所執(zhí)行的功能，例如，高通濾波器21可放置在放大器22之后而不是在其之前，如果該重新排列有助于具體控制信號裝備的設(shè)計(jì)效率。還應(yīng)該指出，雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及電機(jī)的控制，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可用于控制諸如燈、顯示器、電子系統(tǒng)等之類任何電驅(qū)動設(shè)備。另外，信號存儲裝置16可以是磁帶或數(shù)字存儲器電路器件。圖4示出優(yōu)選數(shù)字存儲器電路實(shí)施例的示意圖。
標(biāo)為30的集成電路U1是通?？傻玫降摹逶捯鬒C″，該″話音IC″包含在接近0Hz至6kHz頻率范圍內(nèi)永久存儲和播放信號的所有所需電路和存儲器中。電阻R7控制U1的內(nèi)部時鐘電路的頻率。驅(qū)動集成電路U1時，所存儲的音頻和控制混合信號以電流形式從U1的AUD管腳31輸出。該電流由電阻R8轉(zhuǎn)換成電壓，如同使用這類IC的標(biāo)準(zhǔn)作法。電容器C6也是按慣例從信號中消除不希望的殘余時鐘饋入。晶體管Q4將音頻信號放大到能夠驅(qū)動揚(yáng)聲器(SPKR)32的功率電平，揚(yáng)聲器產(chǎn)生用戶聽到的聲音。由于用于該存儲器電路的小揚(yáng)聲器不能重放40Hz的控制信號，為節(jié)省費(fèi)用起見已省略圖3方框圖中所示的高通濾波器21。
電阻器R12、R13和R14以及電容器C7、C8和C9構(gòu)成常規(guī)的3極低通濾波器。應(yīng)該指出，在該電路中，到低通濾波器23的輸入是從放大器的輸出提取的，而不是直接來自如圖3方框圖所示的存儲/播放設(shè)備20的輸出。通過省略高通濾波器21能夠進(jìn)行信號處理方框的重新排列(仍未從放大器的輸出信號濾掉控制信號)并提供提取電路工作的更大(放大)信號。
電容器C10、電阻器R15-R17、和晶體管Q5對低通濾波器23的輸出進(jìn)行緩沖并對所得到的提取控制信號提供放大，以便為幅度檢波器提供更大的信號?？梢哉J(rèn)為該放大器是低通濾波器的一部分或幅度檢波器的一部分，并且不是本發(fā)明的概念部分，因此圖3的方框圖未將其單獨(dú)示出。
應(yīng)該指出，電阻器R17未象常規(guī)一樣直接連接電源電壓，而是代之以連接到U130的STA輸出端33。STA33是由可用軟件編程的播放IC提供的控制輸出端，以執(zhí)行任意控制功能。在該實(shí)施例中，STA33用來在開始播放聲音期間中止該幅度檢波器，因?yàn)樵陂_始播放聲音時播放IC產(chǎn)生所不希望的會誤驅(qū)動電機(jī)的瞬變。
二極管D1、電容器C11、和電阻器R18構(gòu)成圖3的幅度檢波器25，并以熟知的被稱為″峰值檢波器″的構(gòu)形連接，作為必需的半波整流器。電阻器R19和晶體管Q6作為電平檢測器26，并與電阻器R20、R21、和晶體管Q8一起構(gòu)成圖3的電機(jī)驅(qū)動器27。當(dāng)幅度檢波器25的輸出足夠大而向Q6的基極提供足夠電流時，Q6開始工作，導(dǎo)通晶體管Q8向標(biāo)號為34的電機(jī)M1提供電流。在該實(shí)施例中，作為電平檢測器26的Q6不具備非常陡的傳遞曲線，傳遞到電機(jī)34的電流量與幅度檢波器25輸出端的電壓略成正比。這樣發(fā)現(xiàn)幅度檢波器的輸出剛一超過固定閾值就會比完全導(dǎo)通的電平檢測器為卡通人物提供更細(xì)微的嘴部動作。
設(shè)置電容器C12-C14抑制電機(jī)34產(chǎn)生的電噪聲，電阻器R25限制傳遞到電機(jī)的最大電流。標(biāo)號為36的電池B1向系統(tǒng)提供電源。
雖然已以優(yōu)選實(shí)施例為依據(jù)概括地描述了本發(fā)明，可以理解，在下面權(quán)利要求定義的范圍內(nèi)可對本發(fā)明做出各種改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種為電驅(qū)動設(shè)備置人和提取控制信號的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括(a)用于產(chǎn)生具有可變頻率的音頻信號的裝置；(b)用于產(chǎn)生具有頻率比音頻信號最低頻率低的控制信號的裝置；(c)用于將所述音頻信號和所述控制信號混合在一起并將其存儲在適當(dāng)存儲介質(zhì)中的裝置；(d)用于恢復(fù)所存儲的混合音頻和控制信號，包括用于將該信號分離成音頻信號和控制信號的濾波器的裝置；(e)一個適宜接收該音頻信號的揚(yáng)聲器；和(f)一個適宜接收與來自所述揚(yáng)聲器的聲音同步的所述控制信號的電驅(qū)動設(shè)備。
2.一種為電驅(qū)動設(shè)備置入和提取控制信號的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括(a)用于產(chǎn)生具有可變頻率的音頻信號的裝置；(b)用于產(chǎn)生具有頻率比音頻信號最高頻率高的控制信號的裝置；(c)用于將所述音頻信號和所述控制信號混合在一起并將其存儲在適當(dāng)存儲介質(zhì)中的裝置；(d)用于恢復(fù)所存儲的混合音頻和控制信號，包括用于將該信號分離成音頻信號和控制信號的濾波器的裝置；(e)一個適宜接收該音頻信號的揚(yáng)聲器；和(f)一個適宜接收與來自所述揚(yáng)聲器的聲音同步的所述控制信號的電驅(qū)動設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制信號的頻率為35-45Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲介質(zhì)是磁帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲介質(zhì)是數(shù)字存儲器電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電驅(qū)動設(shè)備是一個電機(jī)。
7.一種為電驅(qū)動設(shè)備置入和提取控制信號的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括(a)用于產(chǎn)生具有可變頻率的音頻信號的裝置；(b)用于產(chǎn)生具有與音頻信號的任何頻率顯著不同頻率的控制信號的裝置；(c)用于將所述音頻信號和所述控制信號混合在一起并將其存儲在一個數(shù)字存儲器電路中的裝置；(d)用于恢復(fù)所存儲的混合音頻和控制信號，包括用于將該信號分離成音頻信號和控制信號的濾波器的裝置；(e)一個適宜接收該音頻信號的揚(yáng)聲器；和(f)一個適宜接收所述控制信號的電機(jī)，該電機(jī)與來自所述揚(yáng)聲器的聲音同步操作一個卡通人物。
8.一種用于提供控制電信號到一個電驅(qū)動設(shè)備的電路的方法，其特征在于，該方法包括步驟(a)提供一個具有頻率在聽覺頻率范圍之外的AC控制信號；(b)提供一音頻信號并將其與所述AC控制信號混合以產(chǎn)生一組合信號，然后將該組合信號存儲在一存儲介質(zhì)中；(c)恢復(fù)該組合的控制和音頻信號并將它們通過一個從音頻信號分離控制信號的濾波電路；和(d)傳送控制信號到一個電驅(qū)動設(shè)備，和傳送音頻信號到一個揚(yáng)聲器，其中電驅(qū)動設(shè)備的操作與該揚(yáng)聲器發(fā)出的音頻聲音同步。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路控制方法，其特征在于，控制信號的頻率為35-45Hz。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路控制方法，其特征在于，組合信號存儲介質(zhì)是一磁帶。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路控制方法，其特征在于，組合信號存儲介質(zhì)是一數(shù)字存儲器電路，該組合信號存儲在該數(shù)字存儲器電路中并從該數(shù)字存儲器電路恢復(fù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路控制方法，其特征在于，還包括通過電濾波裝置恢復(fù)組合的音頻和控制信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路控制方法，其特征在于，經(jīng)分離的控制信號傳送到一個電機(jī)。
14.一種用于提供控制電信號到一個電驅(qū)動設(shè)備的電路的方法，其特征在于，該方法包括步驟(a)提供一個頻率為10-50Hz的AC控制信號；(b)提供一具有可變頻率的音頻信號并將其與所述AC控制信號混合以產(chǎn)生一組合信號，然后將該組合信號存儲在一個數(shù)字存儲器電路存儲介質(zhì)中；(c)通過濾波裝置恢復(fù)組合的控制和音頻信號并將它們通過一個從音頻信號分離控制信號的濾波電路；和(d)傳送控制信號到一個電驅(qū)動電機(jī)，和傳送音頻信號到一個揚(yáng)聲器，其中電驅(qū)動電機(jī)的操作與該揚(yáng)聲器發(fā)出的音頻聲音同步。
全文摘要
諸如用于電驅(qū)動設(shè)備之類混合音頻信號和控制信號并將其置入一存儲介質(zhì)中然后通過濾波裝置提取和分離該混合信號的系統(tǒng)和方法。所分離的音頻信號傳到一個揚(yáng)聲器,控制信號傳到諸如安排用于使活動人物部件機(jī)械活動的電機(jī)之類的電驅(qū)動設(shè)備,該控制信號的頻率明顯不同于音頻信號的頻率并最好低于音頻信號的頻率。該系統(tǒng)和方法可與諸如玩偶或雕像之類活動人物的自然動物接近同步地模仿音樂或講話聲音。
文檔編號G11B31/00GK1191153SQ9711623
公開日1998年8月26日 申請日期1997年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月18日
發(fā)明者約瑟夫F·特魯克塞斯 申請人:實(shí)用設(shè)計(jì)公司