Тональный генератор для ЭМИ

Радио 1987, №5

Многоголосные ЭМИ с одним тональным генератором уже зарекомендовали себя как надёжные и практичные устройства. Однако зачастую их возможности реализуются далеко не полностью из-за особенностей используемых в них генераторов. Как правило, тональный генератор строят на основе высокостабильного кварцевого резонатора или RC-цепей. В этом случае электронное управление частотой либо исключено, либо крайне затруднено [1].

Описанное ниже устройство - тональный генератор, управляемый напряжением. Управляющий сигнал снимают с различных формирователей и органов управления ЭМИ. Это могут быть генераторы частотного вибрато, огибающей (для автоматического изменения строя), регуляторы глиссандо (скольжения строя) с ручным или ножным (педальным) управлением.

Рис. 1

К особенностям генератора следует отнести высокую рабочую частоту. Использование цифровой микросхемы позволило реализовать сравнительно простой и дешёвый ГУН с рабочей частотой вплоть до 7,5...8 МГц (рис. 1). Для большинства цифровых генераторов тона с равномерно-темперированной музыкальной шкалой, состоящих обычно из 12 идентичных счётчиков с различными интервальными коэффициентами пересчёта, необходима тактовая (ведущая) частота в пределах 1...4 МГц. Поэтому характеристики генератора должны быть такими, чтобы обеспечить необходимую линейность в этих частотных пределах.

Принцип работы генератора основан на формировании регулируемых по длительности импульсов двумя замкнутыми в кольцо одинаковыми формирователями, управляемыми напряжением. Таким образом, спад импульса на выходе одного формирователя вызывает появление фронта следующего импульса на выходе другого и т. д. Работу устройства иллюстрируют временные диаграммы, показанные на рис. 2. До момента t₀ управляющее напряжение равно нулю. Это значит, что в точках А и Б установился сигнал с уровнем логического 0, поскольку вытекающий входной ток элементов DD1.1 и DD1.2 (он не превышает примерно 1,6 мА) замыкается на общий провод через резисторы R1 и R2 и малое выходное сопротивление источника управляющего напряжения. На выходе инверторов DD1.1 и DD1.2 в это время действует уровень 1, поэтому RS-триггер на элементах DD1.3 и DD1.4 установится произвольно в одно из устойчивых состояний. Предположим для определённости, что на прямом (верхнем по схеме) выходе установился сигнал 1, а на инверсном - 0.

При появлении в момент t₀ на управляющем входе некоторого положительного напряжения через резисторы R1 и R2 потечёт ток. При этом в точке А напряжение останется близким к нулю, так как ток через резистор R1 протекает на общий провод через малое сопротивление диода VD1 и выходной цепи элемента DD1.4. В точке Б напряжение будет повышаться, поскольку диод VD2 закрыт высоким уровнем с выхода элемента DD1.3. Ток через резистор R2 будет заряжать конденсатор С2 до 1,1... 1,4 В за время, зависящее от его ёмкости, сопротивления резистора R2 и значения управляющего напряжения. При увеличении U_ynp увеличивается скорость зарядки конденсатора, и он заряжается до того же уровня за меньшее время.

Как только напряжение в точке Б достигнет порога переключения элемента DD1.2, на его выходе установится уровень 0, который переключит RS-триггер. Теперь на прямом выходе будет уровень 0, а на инверсном - 1. Это приведёт к быстрой разрядке конденсатора С2 и уменьшению напряжения, а конденсатор С1 начнёт заряжаться. В результате триггер снова переключится и весь цикл повторится.

Рис. 2

Увеличение управляющего напряжения (период времени t₁...t₂, рис. 2) приводит к увеличению зарядного тока конденсаторов и уменьшению периода колебаний. Так происходит управление частотой колебаний генератора. Вытекающий входной ток элементов ТТЛ складывается с током источника управляющего напряжения, что позволяет расширить пределы управляющего сигнала, так как при большом сопротивлении резисторов R1 и R2 генерация может сохраняться даже при U_ynp=0. Однако этому току свойственна температурная нестабильность, что сказывается на стабильности частоты генерации. В какой-то мере повысить температурную стабильность генератора можно путём использования конденсаторов С1 и С2 с положительным ТКЕ, что будет компенсировать увеличение неуправляемого вытекающего входного тока элементов DD1.1 и DD1.2 при изменении температуры.

Период колебаний зависит не только от сопротивления резисторов R1 и R2 и ёмкости конденсаторов С1 и С2, но и от многих других факторов, поэтому точная оценка периода затруднена. Если пренебречь временными задержками сигналов в элементах DD1.1-DD1.4 и принять значение их напряжения логического 0, а также порогового напряжения диодов VD1 и VD2 равными нулю, то работу генератора можно описать выражением: T₀=2t₀=2RC*ln((I_эR+U_упр)/(I_эR+U_упр-U_сп)), полученным на основе решения дифференциального уравнения:

dUc/dt = I_э/C + (U_упр-Uс)/(RC),

где R и С - номиналы времязадающих цепей; Uc - напряжение на конденсаторе С; Uсп - максимальное (пороговое) значение напряжения Uc; U_ynp - управляющее напряжение; I_э - среднее значение входного вытекающего тока элемента ТТЛ; t₀ - длительность импульса; Т₀ - период колебаний. Расчёты показывают, что первая из указанных формул весьма точно согласуется с экспериментальными данными при Uynp>=Uсп, при этом были выбраны средние значения: I_э=1,4 мА; Uсп = 1,2 В. Кроме того, на основе анализа того же дифференциального уравнения можно прийти к выводу, что

(I_эR+U_упр)/(I_эR+U_упр-Uсп)>0,

т. е., если I_эR/(I_эR-Uсп)>0, то устройство работоспособно при Uynp≥0; этот вывод подтверждает и экспериментальная проверка устройства. Тем не менее наибольшая стабильность и точность работы ГУН могут быть достигнуты при Uупр ≥ Uсп = 1,2..1,4 В, т. е. в частотных пределах 0,7...4 МГц.

Практическая схема тонального генератора для полифонического ЭМИ или ЭМС показана на рис. 3. Пределы рабочей частоты (при U_упр ≥ 0,55...8 В) - 0,3...4,8 МГц. Нелинейность характеристики управления (на частоте в пределах 0,3...4 МГц) не превышает 5 %.

Рис. 3

На вход 1 подают сигнал с генератора огибающей для автоматического управления скольжением частоты звука. При незначительной глубине модуляции (5...30 % тона) достигается имитация оттенков звучания бас-гитары, а также других щипковых и ударных инструментов, у которых высота интонирования звуков в момент их извлечения немного отклоняется от нормы (обычно скачком повышается во время атаки звука и далее быстро уменьшается до своего нормального значения).

На вход 2 подают постоянное управляющее напряжение с ручного или педального регулятора глиссандо. Этот вход как раз и служит для подстройки или изменения (транспонирования) тональности в пределах двух октав, а также для скольжения по высоте аккордов или тональных звуков, имитирующих, например, тембр кларнета, тромбона или голоса.

На вход 3 подают от генератора вибрато сигнал синусоидальной, треугольной или пилообразной формы. Переменным резистором R4 регулируют уровень вибрато в пределах 0...+-0,5 тона, а также уровень девиации частоты до +-1 октавы и более при замыкании выключателя SA1. При большой частоте модуляции (5...11) Гц) и глубине +-0,5...1,5 октавы тональные звуки теряют свои музыкальные качества и приобретают характер шумового сигнала, напоминающего глухой рокот или шелест лопастей вентилятора. При малой частоте (0,1...1 Гц) и той же глубине достигается очень красочный и выразительный эффект, подобный «плавающему» звучанию гавайской гитары.

Сигнал с выхода тонального генератора надо подавать на вход цифрового формирователя сигналов равномерно-темперированного музыкального строя.

На операционном усилителе DA1 собран активный сумматор управляющих сигналов. Сигнал с выхода сумматора поступает на вход ГУН, который выполнен на логических элементах DD1.1-DD1.4. Кроме ГУН, устройство содержит образцовый кварцованный генератор, собранный на элементах DD2.1, DD2.2, а также цепь из двух октавных делителей частоты на триггерах микросхемы DD3. тактируемых этим генератором. Генератор и триггеры формируют три образцовых сигнала с частотой 500 кГц, 1 и 2 МГц. Эти три сигнала и сигнал с выхода ГУН поступают на вход электронных ключей, собранных на элементах DD4.1-DD4.4 с открытым коллектором.

Эти коммутаторы, управляемые переключателями SA2-SA5, имеют общую нагрузку - резистор R13. Выходные цепи элементов образуют устройство с логической функцией ИЛИ. Когда один из ключей пропускает на выход свой тактовый сигнал, остальные закрыты низким уровнем с переключателей. Высокий уровень для подачи на R-входы D-триггеров DD3.1 и DD3.2 и на контакты переключателей SA2-SA5 снимают с выхода элемента DD2.4.

Кварцованный генератор с делителями частоты играют вспомогательную роль и служат в основном для оперативной подстройки ГУН или «ведут» инструмент в режиме «Орган», при этом переключатели SA3, SA4, SA5 («4'», «8'», «16'») позволяют смещать строй ЭМИ соответственно от самого низкого регистра на одну и на две октавы вверх. При этом, разумеется, никакой подстройки или изменения высоты звуков быть не может.

К недостаткам генератора следует отнести сравнительно низкую температурную стабильность, которая в данном случае не имеет большого значения [2], и значительную нелинейность управляющей характеристики ГУН на краях диапазона, особенно в области нижних частот рабочего диапазона генератора.

Рис. 4

На рис. 4 показана экспериментально снятая зависимость частоты генерации от управляющего напряжения: 1 - для генератора по схеме рис. 1, 2 - рис. 3.

Устройство собрано на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Микросхемы серии К155 можно заменить на аналогичные из серий K130 и К133; К553УД1А - на К553УД1В, К553УД2, К153УД1А, К153УД1В, К153УД2. Вместо Д9Б можно использовать диоды этой серии с любым буквенным индексом, а также Д2В, Д18, Д311, ГД511А. Конденсаторы С4 и С5 лучше выбрать с положительным ТКЕ, например. КТ-П210. КПМ-П120, КПМ-П33, КС- П33, КМ- П33, К10-17-П33, К21У-2-П210, К21У-3-П33. Конденсаторы С7, C10, C11 - К50-6.

Особое внимание следует уделить тщательной экранировке устройства. Выходные проводники нужно свить в шнур с шагом 10..30 мм.

Правильно смонтированный тональный генератор в налаживании не нуждается и начинает работать сразу после подключения питания. Управляющее напряжение на входе ГУН не должно превышать 8...8,2 В. На стабильность частоты генератора отрицательно влияют изменения питающего напряжения 5 В, поэтому питать его необходимо от источника с высоким коэффициентом стабилизации.

И. БАСКОВ, д. Полоска Калининской обл.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Беспалов. Делитель частоты для многоголосного ЭМИ. - Радио, 1980, № 9.
2. Л. А. Кузнецов. Основы теории, конструирования, производства и ремонта ЭМИ. - М.: Лёгкая и пищевая промышленность. 1981.