Чому синтезатор музики, побудований з ланцюга стійких мультивібраторних схем, виходить з ладу через кілька годин?

Я побудував прототип клавіатури / синтезатора звуку, використовуючи ланцюг з 13 стійких мультивібраторних мікросхем, виходи яких підключені до мікросхеми аудіопідсилювача (LM386) та динаміка, усі вимкнуті акумулятором 9 В постійного струму.

Кожен окремий ланцюг налаштовується на одну з 13 частот музичної октави (C5, C #, D тощо, аж до C6), змінюючи тонко налаштовану тріпочку, яка є послідовно із конкретними значеннями резистора і які отримують коливання в частота бального парку.

Коливання - це класичний стійкий мультивібратор BJT, який ви можете побачити на малюнку 1 тут, і який пояснено в цій статті .

Прототип залишається правильно налаштованим протягом короткого періоду (до доби).

Ви можете почути, як це звучить тут. (Безпечно для початку в 0: 49с - константа Вадсворта ;))

Що я не можу зрозуміти, це те, чому схема, здається, спонтанно замикається, тобто одна або кілька окремих схем закінчуються частотами, які відрізняються від тих, на які вони були настроєні (перевіряється на оскопі та опорному піаніно) .

Відхилення частоти відхилення зазвичай становить 2-5%, що чутно помітно (наприклад, С5 на 523 Гц може бродити до 540 Гц або 510 Гц). Цікаво, що відтворення ніколи не відбувається під час гри. Але через кілька годин клавіші вже не звучать однаково.

Я спочатку думав, що, можливо, горщики для тримеру механічно розслабляються самі собою. Щоб усунути це, я замінив горщики тримерів, щоб спробувати «зафіксувати» конкретні частоти, що базуються лише на значеннях резистора, так що в конструкції не залишилося змін.

Але проблема деінсталяції зберігається навіть після заміни оправок на фіксовані значення резистора.

Перед: аналоговий синтезатор з 13-ти ключами з фіксованими значеннями резистора

Резолюція: Дякуємо всім за корисні відгуки, ідеї цифрового дизайну та історичний контекст, щоб краще зрозуміти проблеми чистого аналогового дизайну. Усі відповіді були відмінними. Я прийняв відповідь ToddWilcox, оскільки я отримую звідси, що (a) детутування - це очікувана частина чистих аналогових конструкцій; (b) артистизм полягає в тому, як швидко встановити тонкий спосіб настройки інструменту.

Щоб вирішити негайну проблему, я поставив тримери тримери (1-2 К Ом) назад в конструкцію, щоб надати 2-5% настроюваності для кожної клавіші. На початку гри потрібно кілька хвилин, щоб налаштувати 13 осциляторів, після чого вони залишаються в гармонії кілька годин за один раз. Дивіться нове зображення нижче.

Опублікуємо результати експериментів із використанням настінних бородавок, свіжих батарей. Цифрові конструкції (з використанням цифрового роздільника та / або 555 таймерів) є цікавими та потенційно можуть значно зменшити розмір. Майбутні оновлення можна знайти на сторінці проекту тут .

Після: аналоговий синтезатор 13-клавіш із тримерними горщиками (1-2 к Ом) для налаштування здатності

Що я не можу зрозуміти, це те, чому схема, здається, спонтанно замикається, тобто одна або кілька окремих схем закінчуються частотами, які відрізняються від тих, на які вони були налаштовані (використовували оскоп, а потім опорне піаніно).

Зміна температури, про що говорилося в іншій відповіді.

Тут я додаю відповідь, тому що, як музикант, я віддаю перевагу звуку осциляторів, які є на 100% аналогом, ніж дизайн, заснований на:

схема, яка використовує як одиночний осцилятор вищої частоти, заснований на кристалі близького допуску. Потім використовуються цифрові лічильники, щоб поділити цю частоту до потрібної частоти для кожної ноти в шкалі.

EE на цій стеці можуть нескінченно коментувати, що я науково не міг почути різницю. Повірте, коли я кажу, що мій гаманець щиро бажає, щоб я не міг почути різницю, але я можу, і це не тонко.

У будь-якому разі, основні 100-відсоткові виробники аналогових синтезаторів, такі як Moog Music і Sequences Circuits (раніше DSI), вирішували цю проблему різними способами протягом багатьох років. Рішення для старої школи вимагає втручання користувача та частої настройки. Оригінальний Moog Minimoog (AKA «Модель D» після його найпопулярнішого варіанту) мав вбудовану схему кристалічного осцилятора, яка не входила в шлях сигналу, але створювала б стабільний тон 440 Гц. Ви вмикаєте кристалічний тон 440 Гц, потім граєте на клавіатурі A, а потім повертаєте регулятор Master Tuning, щоб повторно налаштувати синтезатор на слух. Це було практично, тому що Minimoog був (є переоформленим з деякими технологічними вдосконаленнями) моносинтезом. Після того, як ви налаштували банку трьох осциляторів разом, все закінчено.

Пророк 5 послідовних схем - різна річ. Усі звукові сигнали та шлях сигналу є аналоговими та схильними до дрейфу, і певним чином аналогічний процес використовується як для Minimoog для настройки, але замість того, щоб користувач слухав тон кристалічного генератора і вручну налаштовував аналогові генератори, Prophet 5 демонстрував автоматичну настройку калібрування мікропроцесором. За даними одного джерела, налаштування зайняло приблизно 15 секунд після натискання кнопки Налаштування.

Однією з причин, чому для Пророка 5 була необхідна автоматична система настройки, було те, що замість того, щоб бути однотонним синталоном 3-х генераторів, вона була поліфонічною з 5-ма голосами по 2-х осциляторів кожен, загалом десять генераторів. Оскільки дрейф міг статися в середині шоу, потрібен досить швидкий спосіб перенастроїти синтезатор, щоб зробити його корисним для музикантів.

Отже, що я пропоную, якщо ви будуєте власні осцилятори для отримання 100% аналогового тону, вам потрібно запропонувати якийсь механізм настройки. Можливо, вам доведеться пограти з конструкціями генераторів, щоб спробувати зробити їх максимально термостійкими.

Якби я їхав цією дорогою, я би почав із методу Moog і переконався, що знаю, як створити головну регулятор ручки, яку я можу використати для швидкого перенастроювання синтезатора та роботи, щоб отримати дизайн, стабільний принаймні годину в типовому домашньому приміщенні. Тоді я можу поглянути на "перехід" на прив'язку мікропроцесора, який може електрично порівняти генератори з еталонним кристалом і автоматично налаштувати регулятор ручки.

Сьогодні як послідовні схеми, так і Moog Music мають регулювання настроювання мікропроцесорів у режимі реального часу в продуктах Prophet 6 та Model D Release, а Sequential навіть пропонує додатковий контроль, який дозволяє контролювати, наскільки добре підтримує настройку мікропроцесор, щоб отримати деякий збір урожаю - стильний осцилятор дрейфує в звук.

Більше про дизайн Prophet 5

Один із способів, коли осцилятори для Prophet 5 були більш стабільними, був за допомогою використання аналогових інтегральних схем, які мали якомога більше повного осцилятора на одній мікросхемі. Це означало, що всі компоненти мікросхеми разом змінювали температуру (принаймні ближче один до одного, ніж окремі компоненти).

Була також "схема мікроконтролю температурної компенсації". Я точно не впевнений, що це стосується, але я здогадуюсь, що це конструкція схеми, яка використовує мікросхемні компоненти, щоб зробити максимально можливі перенесення напруги за рахунок температури мікросхеми.

Сторінка 2-19 Посібника з обслуговування Пророка 5 дуже цікава на цю тему: https://medias.audiofanzine.com/files/sequencescircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

І я знайшов цікавий документ про схеми аналогових схем компенсації температури для кристалічних осциляторів: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Ви чітко побудували схему, яка має повністю аналоговий характер і виробляє частоту в кожному генераторі, яка залежить від різних факторів, таких як:

1. Змінюється рівень напруги живлення генератора.
2. Зміни рівня Vbe транзисторів з температурою.
3. Зміна значень резисторів з часом і температурою.
4. Зміна значень конденсаторів у часі та температурі.
5. Зміни в діелектричних характеристиках конденсатора в стабільній конфігурації генератора.
6. Поведінка бездомних схем змінюється через речі, що знаходяться поблизу прототипу.
7. Положення Місяця відносно Сонця в плані Землі.

Існують способи побудови мікросхем, які не мають стільки дрейфу робочої частоти. Вони призначені для усунення або скасування різних перелічених вище ефектів. Один із звичайних способів - створити схему, яка використовує як одиночний осцилятор вищої частоти на основі кристала з близьким допуском. Потім використовуються цифрові лічильники, щоб поділити цю частоту до потрібної частоти для кожної ноти в шкалі.

Щоб показати значення підходу до цифрових схем, я створив невелику електронну таблицю, яка показує октаву музичних нот від C5 до C6. (Номінальні частоти - це значення, взяті з діаграми, знайденої в Google, а не обчисленої в таблиці з формулами масштабу з посилання A [440]).

Використовуючи кристалічну частоту 22.1184 МГц (що є загальною частотою MCU, що використовується у 8-бітовому вбудованому бізнесі), ви можете бачити, що за допомогою цілого цифрового коефіцієнта поділу для кожної ноти, що генерована частота дуже близька до потрібної номінальної.

Ще одним фактором, про який не згадувалося, є той факт, що схема працює від акумулятора.

Оскільки ви керуєте динаміком, споживання електроенергії буде значним (про що свідчить використання LM386), а 9-вольтова батарея зазнає значного падіння напруги протягом декількох годин. Напруга живлення - ще один фактор, що визначає робочу частоту вашого генератора.

Спробуйте замінити акумулятор 9-вольтовою настінною бородавкою і подивіться, що станеться.

Відповідь: детутування відбувається через зміни характеристик деталей внаслідок нагрівання, зміни температури тощо. Ви можете мінімізувати це, поставивши їх у камеру з контрольованою температурою та давши їй стабілізуватися перед її використанням.

Я робив те саме, що за допомогою мікроконтролера створив 13 тонів.

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

У мене було лише 8 кнопок, коли я робив демонстрацію. Я використовував динамік із самостійним живленням від ПК, щоб відтворити їх.

Тони створюються на рівні мікросекунди точності. А оскільки вони базуються на кришталевому тактовому джерелі 16 МГц, вони не дрейфують.

UC, Atmega1284P, має 32 IO, тому безпосередньо підтримуються 13 кнопок і 13 виходів.

Хочете більше приміток? Додати інший процесор і змінити масив, що містить напівперіоди тонів.

Не подобається в основному квадратна хвиля? Додайте фільтрацію до виходів.

Частота типового генератора RC регулюється постійною частотою RC і величиною "RC-розпаду", необхідною для кожного циклу. Однією з причин того, що ланцюг 555 є більш стійким, ніж багато інших видів релаксаційних осциляторів, полягає в тому, що відношення напруг, на яке вона змінюється, відносно не впливає на характеристики залучених транзисторів. Навпаки, стійкий моновібратор, який ви використовуєте, дуже чутливий до характеристик включення транзисторів, які в свою чергу чутливі до температури.

Я б здогадався, що інструменту потрібно деякий час налаштовуватися, і до моменту його співзвучності всі транзистори досягнуть рівноважної робочої температури. Якщо вимкнути прилад, транзистори охолонуть. Якщо хтось увімкне живлення і негайно почне грати, вони будуть холоднішими, ніж це було під час налаштування інструменту, але якщо чекати, коли транзистори доберуться до температури, на яку вони були налаштовані, настройка повинна наблизитися до тієї, що повинна бути бути.

Між іншим, електронний орган вакуумної трубки, який я зростав, використовував налаштовані мікросхеми, а не RC. Частота налаштованого контуру ЖК буде контролюватися насамперед значеннями конденсатора та регульованого індуктора. Якщо хочеться мінімізувати кількість підсилюючих компонентів (орган, що використовує 1/2 подвійної тріакальної трубки для кожного генератора), використання LC-схем може бути практичним підходом, хоча настроювані індуктори відповідного розміру, ймовірно, коштують дорожче, ніж більшість мікросхем.