专利名称：为电驱动设备置入和提取控制信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及向电驱动设备提供控制信号。特别涉及为诸如玩偶和雕像之类的活动和讲话的卡通人物中设置的电驱动设备置入和提取控制信号的系统和方法。
在许多领域中希望使一个动作或多个动作与所记录声音的播放同步。包含电动化面貌和/或身体部件的活动玩偶或雕像就是这样一个领域。提供电控装置以便在所希望的与所存储声迹信号相关的时间操作诸如电机之类的电驱动设备。这通常是借助一个声道专用于音频声迹，一个或多个附加声道专用于为电机传送控制信号的多声道播放系统，或根据其幅度和/或频谱特性通过从音频声迹本身直接得到的电机控制信号进行的。前一种多声道装置因其需要附加存储声道和播放电路而趋于昂贵。后一种装置具有声音和动作不同步的缺点，例如，因为话音信号幅度不一定表示自然讲话中嘴部的张开程度，此外，由于背景音乐或声音会造成机构的误驱动，妨碍了背景音乐或声音的使用。因此，需要改进电驱动设备的控制系统。
已经公开了多种控制由卡通人物提供的动作和声音的系统和方法。例如，Forsse等人的美国专利No.4,665,640公开了一种带有与控制信号同步重放的可听声音的卡通人物机电控制器，并采用分离控制向电机提供信号。Curran等人的美国专利4,775,352公开了一种采用由音频信号编码的卡式磁带的活动讲话玩偶，该音频信号包括基本频率和操作二进制开关的协调频率定时信号。Mirahem的美国专利4,805,328公开了一种根据设定音频信号阈值而不是提供经混合的音频和控制信号来响应具有通-断特性的音频驱动信号的讲话玩偶。另外，Berliner的美国专利4,808,142公开了一种采用具有中央处理器的语音合成系统的活动玩偶，中央处理器通过开关组件控制电机。然而，这些现有技术专利没有一份公开或建议采用叠加在音频信号上为诸如玩偶或雕像之类活动人物提供同步的动作和声音的控制信号的系统。
本发明通过提供记录处理期间将AC控制信号与音频信号声迹混合，然后在播放步骤期间一旦检测到控制信号出现则向诸如电机之类电驱动设备系统供电的系统和方法来克服现有卡通人物控制系统的上述缺陷。选择控制信号频率以便播放时使其处在用户将要听到的频率范围之外，以便在该播放期间控制信号可与音频信号隔离。由于在组合信号存储前将控制信号与音频信号混合，因此可将它们二者同时存储，然后通过单一声道播放。另外，由于在先于记录步骤期间可精确控制该控制信号和音频信号之间的定时关系，当控制和音频信号混合和存储时该定时关系变为固定，动作和声音的播放同步高度精确并可重复。
提供频率在35-45Hz范围内的AC控制信号，该频率处在播放时用户将要听到的音频信号的频率范围之外。以播放期间当希望由诸如电机之类电驱动设备执行某些动作时出现控制信号分量的方式将控制信号与音频信号混合。该混合信号存储在诸如磁带或数字存储器这样的音频存储介质中。播放期间，通过适当的滤波装置从混合信号中提取该控制信号，并用来由例如电动机构、灯等控制一个动作或多个动作。
本发明有利地提供了一种适宜于向诸如玩偶或雕像之类电驱动人物提供电控制信号和音频信号的系统。它还提供了将控制信号与音频信号混合，在存储介质中存储所混合信号，然后恢复组合信号并将它们分别传送到电驱动设备和音频扬声器装置的方法。
参考下列附图进一步描述本发明，其中
图1是根据本发明的记录或编码方法的简化方框图，包括信号混合和存储步骤；图2A-2D图解示出如何将来自语言的音频信号与其后提取的控制信号混合以便向诸如电机这样的驱动设备提供幅度经检波的输出信号；图3示出播放或解码方法的方框图；和图4示出实现本发明播放和解码功能的电路。
图1示出优选实施例的记录/编码处理的简化方框图。可提供音乐或讲话声音的音频信号源10，和控制信号发生器12的输出二者作为输入施加到混合器装置14。如果音频信号包括与控制信号接近的频率，需要由滤波装置13从音频信号除去这些频率，以便播放期间不会将音频频率误检波为控制信号。由于该优选实施例采用例如35-45Hz的低频控制信号，在混合器装置14混合前利用高通滤波器13从音频信号中除去该低频。
可实时，即″当场″或在诸如如今普遍采用的计算机化数字录音室之类用于编辑存储信号的系统中进行信号混合。后一种方式明显比实时方法容易并且更精确。经混合的信号存储在诸如磁带记录器或数字存储器之类适当的存储装置16中。
图2A示出典型的语音声音波形，图2B示出与语音信号一起使用的低频AC控制信号。优选实施例中希望采用的控制信号频率为40Hz，但也可以是略高或低的频率。该频率足以低到极少在人的语言中出现。但其0.025秒的波长短到足以容许处理延迟。由记录操作器按时间安排和持续时间调节控制信号脉冲串，以提供声迹和诸如卡通人物嘴部活动之类所希望动作之间的最佳同步。图2C示出由混合器14混合在一起后的音频和控制信号。由于希望将尽可能多的记录/播放系统的动态范围集中在音频信号，通常以尽可能低的频率等级记录控制信号。然而，为清楚起见，图2A-2C示出比通常使用电平高的控制信号。此后，混合信号存储在诸如磁带或数字存储器件之类的某种存储介质16中。该优选实施例采用数字存储器型存储器件作为安装在图4所示通常可得到的″话音IC″中。
现在参考图3，从存储介质提取存储在20的混合音频/控制信号并将其施加到将组合信号分离成其高频音频和低频控制分量的两个滤波器。混合信号链路中的高通滤波器21和放大器22通向扬声器24，并从即将由用户听到的高频音频信号中滤除低频控制信号。如果控制信号的频率在可听范围或重放范围之外，为简化该系统起见可取消高通滤波器21。在优选实施例中，使用的小扬声器不易重放频率为35-45Hz的控制信号，因此即使不使用高通滤波器21基本上也听不到控制信号。
控制信号的频率可低于或高于播放时即将由用户听到的音频信号的频率。高频控制信号因其波长比人的时间感觉阈值低出很多而具有提供更精确检波的优点。然而，在信号存储和播放电路中，特别是在限定存储资源的数字存储系统中严重限制了其带宽要求。为此，本发明的优选实施例采用频率低于播放时即将由用户听到的音频信号频率的控制信号。
例如，一种应用可将音频带宽限定到300Hz-2kHz，并采用低于300Hz或大于2kHz的控制频率。另一方面，另一种应用可要求100Hz-8kHz的音频带宽，因此要求控制信号低于100Hz或大于8kHz。
在通向诸如电机28之类电驱动设备的控制信号链路中，低通滤波器23起到滤除音频信号并仅通过低频控制信号的作用。应指出，如果采用高频控制信号，滤波器形态21和23应相反，即低通滤波器23应从扬声器通路滤除控制信号，而高通滤波器21从电机控制通路中的音频提取控制信号。
来自低通滤波器23的信号施加到幅度检波器25，幅度检波器通常采取整流器的形式，该整流器得到与向其施加的AC控制信号的幅度成正比的DC电压。图2D示出幅度检波器25的输出信号。该信号施加到电平检测器26，电平检测器检测幅度检波器的输出幅度是否超过固定阈值，幅度超过固定阈值的情况下启动电机驱动器27，电机驱动器施加足够的功率以驱动电机28。
如果电平检测器26增益量大(即具有较陡的传递函数)，电机28将完全接通或完全关断。如果电平检测器26具有较低增益(更加线性的传递函数)，施加到电机28的功率将与幅度检波器25的输出略成正比，而这可能是某些装备所希望的。
应该指出，可重新排列或组合图1和3中的一些框而基本上不改变所执行的功能，例如，高通滤波器21可放置在放大器22之后而不是在其之前，如果该重新排列有助于具体控制信号装备的设计效率。还应该指出，虽然本发明的优选实施例涉及电机的控制，根据本发明的系统可用于控制诸如灯、显示器、电子系统等之类任何电驱动设备。另外，信号存储装置16可以是磁带或数字存储器电路器件。图4示出优选数字存储器电路实施例的示意图。
标为30的集成电路U1是通常可得到的″话音IC″，该″话音IC″包含在接近0Hz至6kHz频率范围内永久存储和播放信号的所有所需电路和存储器中。电阻R7控制U1的内部时钟电路的频率。驱动集成电路U1时，所存储的音频和控制混合信号以电流形式从U1的AUD管脚31输出。该电流由电阻R8转换成电压，如同使用这类IC的标准作法。电容器C6也是按惯例从信号中消除不希望的残余时钟馈入。晶体管Q4将音频信号放大到能够驱动扬声器(SPKR)32的功率电平，扬声器产生用户听到的声音。由于用于该存储器电路的小扬声器不能重放40Hz的控制信号，为节省费用起见已省略图3方框图中所示的高通滤波器21。
电阻器R12、R13和R14以及电容器C7、C8和C9构成常规的3极低通滤波器。应该指出，在该电路中，到低通滤波器23的输入是从放大器的输出提取的，而不是直接来自如图3方框图所示的存储/播放设备20的输出。通过省略高通滤波器21能够进行信号处理方框的重新排列(仍未从放大器的输出信号滤掉控制信号)并提供提取电路工作的更大(放大)信号。
电容器C10、电阻器R15-R17、和晶体管Q5对低通滤波器23的输出进行缓冲并对所得到的提取控制信号提供放大，以便为幅度检波器提供更大的信号。可以认为该放大器是低通滤波器的一部分或幅度检波器的一部分，并且不是本发明的概念部分，因此图3的方框图未将其单独示出。
应该指出，电阻器R17未象常规一样直接连接电源电压，而是代之以连接到U130的STA输出端33。STA33是由可用软件编程的播放IC提供的控制输出端，以执行任意控制功能。在该实施例中，STA33用来在开始播放声音期间中止该幅度检波器，因为在开始播放声音时播放IC产生所不希望的会误驱动电机的瞬变。
二极管D1、电容器C11、和电阻器R18构成图3的幅度检波器25，并以熟知的被称为″峰值检波器″的构形连接，作为必需的半波整流器。电阻器R19和晶体管Q6作为电平检测器26，并与电阻器R20、R21、和晶体管Q8一起构成图3的电机驱动器27。当幅度检波器25的输出足够大而向Q6的基极提供足够电流时，Q6开始工作，导通晶体管Q8向标号为34的电机M1提供电流。在该实施例中，作为电平检测器26的Q6不具备非常陡的传递曲线，传递到电机34的电流量与幅度检波器25输出端的电压略成正比。这样发现幅度检波器的输出刚一超过固定阈值就会比完全导通的电平检测器为卡通人物提供更细微的嘴部动作。
设置电容器C12-C14抑制电机34产生的电噪声，电阻器R25限制传递到电机的最大电流。标号为36的电池B1向系统提供电源。
虽然已以优选实施例为依据概括地描述了本发明，可以理解，在下面权利要求定义的范围内可对本发明做出各种改进和变化。
权利要求
1.一种为电驱动设备置人和提取控制信号的系统，其特征在于，该系统包括(a)用于产生具有可变频率的音频信号的装置；(b)用于产生具有频率比音频信号最低频率低的控制信号的装置；(c)用于将所述音频信号和所述控制信号混合在一起并将其存储在适当存储介质中的装置；(d)用于恢复所存储的混合音频和控制信号，包括用于将该信号分离成音频信号和控制信号的滤波器的装置；(e)一个适宜接收该音频信号的扬声器；和(f)一个适宜接收与来自所述扬声器的声音同步的所述控制信号的电驱动设备。
2.一种为电驱动设备置入和提取控制信号的系统，其特征在于，该系统包括(a)用于产生具有可变频率的音频信号的装置；(b)用于产生具有频率比音频信号最高频率高的控制信号的装置；(c)用于将所述音频信号和所述控制信号混合在一起并将其存储在适当存储介质中的装置；(d)用于恢复所存储的混合音频和控制信号，包括用于将该信号分离成音频信号和控制信号的滤波器的装置；(e)一个适宜接收该音频信号的扬声器；和(f)一个适宜接收与来自所述扬声器的声音同步的所述控制信号的电驱动设备。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制信号的频率为35-45Hz。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述存储介质是磁带。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述存储介质是数字存储器电路。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电驱动设备是一个电机。
7.一种为电驱动设备置入和提取控制信号的系统，其特征在于，该系统包括(a)用于产生具有可变频率的音频信号的装置；(b)用于产生具有与音频信号的任何频率显著不同频率的控制信号的装置；(c)用于将所述音频信号和所述控制信号混合在一起并将其存储在一个数字存储器电路中的装置；(d)用于恢复所存储的混合音频和控制信号，包括用于将该信号分离成音频信号和控制信号的滤波器的装置；(e)一个适宜接收该音频信号的扬声器；和(f)一个适宜接收所述控制信号的电机，该电机与来自所述扬声器的声音同步操作一个卡通人物。
8.一种用于提供控制电信号到一个电驱动设备的电路的方法，其特征在于，该方法包括步骤(a)提供一个具有频率在听觉频率范围之外的AC控制信号；(b)提供一音频信号并将其与所述AC控制信号混合以产生一组合信号，然后将该组合信号存储在一存储介质中；(c)恢复该组合的控制和音频信号并将它们通过一个从音频信号分离控制信号的滤波电路；和(d)传送控制信号到一个电驱动设备，和传送音频信号到一个扬声器，其中电驱动设备的操作与该扬声器发出的音频声音同步。
9.根据权利要求8所述的电路控制方法，其特征在于，控制信号的频率为35-45Hz。
10.根据权利要求8所述的电路控制方法，其特征在于，组合信号存储介质是一磁带。
11.根据权利要求8所述的电路控制方法，其特征在于，组合信号存储介质是一数字存储器电路，该组合信号存储在该数字存储器电路中并从该数字存储器电路恢复。
12.根据权利要求8所述的电路控制方法，其特征在于，还包括通过电滤波装置恢复组合的音频和控制信号。
13.根据权利要求8所述的电路控制方法，其特征在于，经分离的控制信号传送到一个电机。
14.一种用于提供控制电信号到一个电驱动设备的电路的方法，其特征在于，该方法包括步骤(a)提供一个频率为10-50Hz的AC控制信号；(b)提供一具有可变频率的音频信号并将其与所述AC控制信号混合以产生一组合信号，然后将该组合信号存储在一个数字存储器电路存储介质中；(c)通过滤波装置恢复组合的控制和音频信号并将它们通过一个从音频信号分离控制信号的滤波电路；和(d)传送控制信号到一个电驱动电机，和传送音频信号到一个扬声器，其中电驱动电机的操作与该扬声器发出的音频声音同步。
全文摘要
诸如用于电驱动设备之类混合音频信号和控制信号并将其置入一存储介质中然后通过滤波装置提取和分离该混合信号的系统和方法。所分离的音频信号传到一个扬声器,控制信号传到诸如安排用于使活动人物部件机械活动的电机之类的电驱动设备,该控制信号的频率明显不同于音频信号的频率并最好低于音频信号的频率。该系统和方法可与诸如玩偶或雕像之类活动人物的自然动物接近同步地模仿音乐或讲话声音。
文档编号G11B31/00GK1191153SQ9711623
公开日1998年8月26日 申请日期1997年8月25日 优先权日1997年2月18日
发明者约瑟夫F·特鲁克塞斯 申请人:实用设计公司