Почему музыкальный синтезатор, построенный из цепочки нестабильных цепей мультивибратора, выходит из строя через несколько часов?

Я построил прототип клавиатуры / синтезатора звука, используя цепочку из 13 нестабильных цепей мультивибратора, выходы которых подключены к микросхеме усилителя звука (LM386) и динамику, и все они питаются от батареи 9 В постоянного тока.

Каждая отдельная схема настраивается на одну из 13 частот в музыкальной октаве (C5, C #, D и т. Д. До C6), изменяя трипот точной настройки, который последовательно соединен с определенными значениями резистора и который получает колебания в приблизительная частота.

Колебания - это классический нестабильный мультивибратор BJT, который вы можете увидеть на рисунке 1 здесь и который объяснен в этой статье .

Прототип остается правильно настроенным в течение короткого периода (до суток).

Вы можете услышать, как это звучит здесь. (Безопасно начинать в 0: 49 с - постоянная Уодсворта ;))

Чего я не могу понять, так это того, что схема кажется самопроизвольно расстроенной, то есть одна или несколько отдельных цепей имеют частоты, которые отличаются от того, на что они были настроены (по сравнению с оптическим прицелом и эталонным фортепиано) ,

Отклонение частоты расстройки обычно составляет 2-5%, что заметно на слух (например, C5 при 523 Гц может отклоняться до 540 Гц или 510 Гц). Интересно, что отстройка никогда не происходит во время игры. Но спустя несколько часов клавиши перестали звучать одинаково.

Я изначально думал, что, может быть, триммерные горшки сами по себе механически расслабляются. Чтобы устранить это, я заменил триммеры, чтобы попытаться «зафиксировать» определенные частоты, основываясь только на значениях резисторов, чтобы в конструкции не оставалось изменений.

Но проблема отмены настройки сохраняется даже после замены триммеров на фиксированные значения резисторов.

До: 13-клавишный аналоговый синтезатор с фиксированными значениями резисторов

Решение: Спасибо всем за полезную обратную связь, идеи цифрового дизайна и исторический контекст, чтобы лучше понять проблемы чистого аналогового дизайна. Все ответы были превосходны. Я принял ответ Тоддвилкокса, когда понял, что (а) отстройка - ожидаемая часть чисто аналоговых конструкций, (б) мастерство заключается в том, как быстро выбрать удобный способ настройки прибора.

Чтобы решить непосредственную проблему, я вернул триммеры (1-2 кОм) обратно в конструкцию, чтобы настроить 2–5% для каждой клавиши. В начале игры требуется несколько минут, чтобы настроить 13 осцилляторов, после чего они остаются настроенными на несколько часов одновременно. Смотрите новое изображение ниже.

Опубликуем результаты экспериментов с использованием бородавок, свежих батарей. Цифровой дизайн (с использованием цифрового делителя и / или 555 микросхем таймера) интересен и потенциально может значительно уменьшить размер. Будущие обновления можно найти на странице проекта здесь .

После: 13-клавишный аналоговый синтезатор с триммером (1-2 кОм) для настройки

Чего я не могу понять, так это того, что схема кажется самопроизвольно расстроенной, то есть одна или несколько отдельных схем заканчивают работать на частотах, которые отличаются от того, на что они были настроены (использовали оскоп, а затем эталонное пианино).

Изменения температуры, как упомянуто в другом ответе.

Я добавляю здесь ответ, потому что, как музыкант, я предпочитаю звучание осцилляторов, которые на 100% аналогичны дизайну, основанному на:

схема, которая использует в качестве одного высокочастотного генератора на основе кристалла с близким допуском. Затем используются цифровые счетчики, чтобы разделить эту частоту до желаемой частоты для каждой ноты в шкале.

ЭЭ в этом стеке могут бесконечно комментировать, что я с научной точки зрения не смогу услышать разницу. Поверьте мне, когда я говорю, что мой кошелек очень желает, чтобы я не слышал разницу, но я могу, и это не тонко.

В любом случае, крупные производители аналоговых синтезаторов, такие как Moog Music и Sequential Circuits (ранее DSI), решали эту проблему по-разному. Решение старой школы требует вмешательства пользователя и частой настройки. Оригинальный Moog Minimoog (AKA «Модель D» после его самого популярного варианта) имел встроенную схему кварцевого генератора, которая не была частью пути прохождения сигнала, но создавала стабильный тон 440 Гц. Вы включаете кристаллический тон 440 Гц, затем играете A на клавиатуре, а затем поворачиваете ручку Master Tuning, чтобы перенастроить синтезатор на слух. Это было практично, потому что Minimoog был (или был переиздан с некоторыми технологическими улучшениями) моносинтезом. Как только вы настроили группу из трех генераторов, все готово.

Последовательные цепи Пророк 5 - это совсем другое. Все генерация звука и путь прохождения сигнала являются аналоговыми и склонны к дрейфу, и, в некотором смысле, аналогичный процесс используется для настройки Minimoog, но вместо того, чтобы пользователь слушал тон кварцевого генератора и настраивал аналоговые генераторы вручную, Пророк 5 показал управляемую микропроцессором автоматическую настройку калибровки. Согласно одному источнику, после нажатия кнопки Tune настройка заняла около 15 секунд.

Одной из причин, по которым система автоматической настройки была необходима для Пророка 5, было то, что вместо того, чтобы быть монофоническим синтезатором с 3 осцилляторами, он был полифоническим с 5 голосами по 2 осциллятора каждый, что в общей сложности составляло десять осцилляторов. Поскольку дрифт мог произойти в середине шоу, довольно быстрый способ перенастроить синтезатор был необходим, чтобы сделать его полезным для музыкантов.

Итак, я предлагаю вам создать собственные осцилляторы для получения 100% аналогового тона, и вам понадобится механизм настройки. Вам также, возможно, придется поиграть с конструкциями осцилляторов, чтобы сделать их как можно более термически стабильными.

Если бы я шел по этому пути, я бы начал с метода Moog и убедился, что я знаю, как спроектировать мастер-ручку настройки, которую я могу использовать, чтобы быстро перенастроить синтезатор, и работать, чтобы получить дизайн, стабильный как минимум час в типичной домашней комнате. Тогда я мог бы взглянуть на «переход» к закреплению на микропроцессоре, который может электрически сравнивать генераторы с эталонным кристаллом и автоматически регулировать ручку настройки.

Сегодня и Sequential Circuits, и Moog Music имеют управляемую микропроцессором настройку настройки в реальном времени в продуктах Prophet 6 и Model D Reissue, а Sequential даже предлагает дополнительный элемент управления, который позволяет вам контролировать, насколько хорошо микропроцессор поддерживает настройку, чтобы получить некоторый урожай Стиль дрейфа осциллятора в звуке.

Подробнее о дизайне пророка 5

Один из способов сделать генераторы Prophet 5 более стабильными - использовать аналоговые интегральные схемы, в которых на одном чипе было как можно больше полного генератора. Это означало, что все компоненты на чипе изменяли температуру вместе (по крайней мере, ближе друг к другу, чем отдельные компоненты).

Была также "схема компенсации температуры на кристалле". Я не уверен точно, что это включает, но я предполагаю, что это - дизайн схемы, которая использует компоненты на чипе, чтобы сделать фактические отклонения напряжения из-за температуры "чипа", насколько это возможно, "отменить".

Страница 2-19 Руководства по обслуживанию Пророка 5 очень интересна по этой теме: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

И я нашел интересную статью о схемах аналоговой компенсации температуры для кварцевых генераторов: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Вы четко построили схему, которая является полностью аналоговой по своей природе и вырабатывает частоту в каждом генераторе, которая зависит от различных факторов, таких как:

1. Изменения уровня напряжения питания генератора.
2. Изменения уровня Vbe транзисторов с температурой.
3. Изменения значений резисторов во времени и температуре.
4. Изменения значений конденсаторов во времени и температуре.
5. Изменения диэлектрических характеристик конденсаторов в нестабильной конфигурации генератора.
6. Поведение блуждающего контура меняется из-за того, что рядом с прототипом.
7. Положение Луны относительно Солнца, если смотреть с Земли.

Существуют способы построения цепей, которые не имеют такого большого отклонения в рабочей частоте. Они предназначены для устранения или устранения различных эффектов, перечисленных выше. Один из традиционных способов заключается в разработке схемы, в которой в качестве одиночного высокочастотного генератора используется кристалл с жестким допуском. Затем используются цифровые счетчики, чтобы разделить эту частоту до желаемой частоты для каждой ноты в шкале.

Чтобы показать ценность цифрового подхода, я создал небольшую электронную таблицу, которая показывает октаву музыкальных нот от C5 до C6. (Номинальные частоты - это значения, взятые из таблицы, найденной в Google и не рассчитанной в электронной таблице с формулами шкалы из ссылки A [440]).

Используя кристаллическую частоту 22.1184 МГц (которая является обычной частотой микроконтроллера, используемой в 8-битном встроенном бизнесе), вы можете увидеть, что с целочисленным цифровым коэффициентом деления для каждой ноты, что сгенерированная частота очень близка к желаемому номиналу.

Еще одним фактором, который не был упомянут, является тот факт, что схема работает от батареи.

Поскольку вы управляете динамиком, потребляемая мощность будет значительной (о чем свидетельствует использование вами LM386), а 9-вольтная батарея будет испытывать значительное падение напряжения в течение нескольких часов. Напряжение питания является еще одним фактором, определяющим рабочую частоту вашего генератора.

Попробуйте заменить батарею на 9-вольтную бородавку и посмотрите, что произойдет.

Ответ: отстройка происходит из-за изменения характеристик деталей из-за нагревания, изменения температуры и т. Д. Это можно минимизировать, поместив их в камеру с контролируемой температурой, и дайте ей стабилизироваться перед использованием.

Я сделал то же самое здесь, используя микроконтроллер для создания 13 тонов.

https://www.youtube.com/watch?v=4c8idXN4Pg0

У меня было только 8 кнопок, когда я делал демо. Для их воспроизведения я использовал динамик с автономным питанием от ПК.

Тоны создаются с точностью до микросекунды. А поскольку они основаны на источнике тактового сигнала 16 МГц, они не дрейфуют.

UC, Atmega1284P, имеет 32 ввода / вывода, поэтому напрямую поддерживаются 13 кнопок и 13 выходов.

Хотите больше заметок? Добавьте другой процессор и измените массив, содержащий полупериоды тонов.

Не нравится в основном прямоугольный тон? Добавьте фильтрацию к выходам.

Частота типичного RC-генератора контролируется постоянной времени RC и величиной «затухания RC», необходимой для каждого цикла. Одна из причин, по которой схема 555 является более стабильной, чем у многих других типов генераторов релаксации, заключается в том, что отношение напряжений, между которыми она колеблется, относительно не зависит от характеристик задействованных транзисторов. Напротив, используемый вами нестабильный моновибратор очень чувствителен к характеристикам включения транзисторов, которые, в свою очередь, чувствительны к температуре.

Я полагаю, что для настройки прибора требуется некоторое время, и что к тому времени, когда он настроен, все транзисторы достигнут равновесной рабочей температуры. Если выключить прибор, транзисторы остынут. Если включить питание и сразу же начать играть, они будут холоднее, чем были при настройке инструмента, но если ждать, пока транзисторы достигнут температуры, при которой они были настроены, настройка должна приблизиться к тому, что должно быть. быть.

Кстати, в электронном органе с вакуумной трубкой, который я выращивал, использовались настроенные LC-схемы, а не RC-схемы. Частота настроенной LC-цепи будет контролироваться в первую очередь значениями конденсатора и настраиваемого индуктора. Если кто-то хочет минимизировать количество усиливающих компонентов (орган использует 1/2 трубки с двойным триаком для каждого генератора), использование LC-схем может быть практическим подходом, хотя перестраиваемые индукторы подходящего размера, вероятно, будут стоить дороже, чем большинство микросхем.