Generatore di toni per EMI. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Gli EMR multivoce con un generatore di toni si sono già dimostrati dispositivi affidabili e pratici. Tuttavia, le loro capacità spesso non vengono pienamente realizzate a causa delle caratteristiche dei generatori utilizzati al loro interno. Di norma, il generatore di toni è costruito sulla base di un risonatore al quarzo altamente stabile o di circuiti RC. In questo caso, il controllo elettronico della frequenza è escluso o estremamente difficile [1].

Il dispositivo descritto di seguito è un generatore di toni controllato in tensione. Il segnale di controllo viene rimosso da vari shaper e controlli EMR. Questi possono essere generatori di vibrato di frequenza, generatori di inviluppo (per cambi automatici di accordatura), regolatori di glissando (accordatura scorrevole) con controllo manuale o a pedale.

Le caratteristiche del generatore includono un'elevata frequenza operativa. L'uso di un microcircuito digitale ha permesso di implementare un VCO relativamente semplice ed economico con una frequenza operativa fino a 7,5...8 MHz (Fig. 1). Per la maggior parte dei generatori di suoni digitali con una scala musicale temperata in modo uniforme, solitamente composta da 12 contatori identici con diversi fattori di conversione degli intervalli, è necessaria una frequenza di clock (principale) nell'intervallo 1...4 MHz. Pertanto le caratteristiche del generatore devono essere tali da fornire la necessaria linearità entro questi limiti di frequenza.

Fig. 1

Il principio di funzionamento del generatore si basa sulla formazione di impulsi, di durata regolabile, da parte di due identici formatori controllati in tensione chiusi in un anello. Pertanto, il declino di un impulso all'uscita di un modellatore provoca la comparsa del fronte dell'impulso successivo all'uscita di un altro, ecc. Il funzionamento del dispositivo è illustrato dai diagrammi temporali mostrati in Fig. 2.

Fig. 2

Fino al momento t0 la tensione di controllo è zero. Ciò significa che nei punti A e B è stato stabilito un segnale con livello logico pari a 0, poiché la corrente di ingresso che scorre negli elementi DD1.1 e DD1.2 (non supera circa 1,6 mA) è chiusa a un filo comune attraverso resistori R1 e R2 e una piccola resistenza di uscita della sorgente di tensione di controllo. Il livello 1.1 è attivo in questo momento all'uscita degli inverter DD1.2 e DD1, quindi il trigger RS ​​sugli elementi DD1.3 e DD1.4 verrà impostato arbitrariamente su uno degli stati stabili. Supponiamo, per chiarezza, che l'uscita diretta (in alto nel diagramma) abbia un segnale pari a 1 e che l'uscita inversa abbia un segnale pari a 0.

Quando una certa tensione positiva appare all'ingresso di controllo al tempo t0, la corrente scorrerà attraverso i resistori R1 e R2. In questo caso, nel punto A la tensione rimarrà vicina allo zero, poiché la corrente scorre attraverso il resistore R1 al filo comune attraverso la bassa resistenza del diodo VD1 e il circuito di uscita dell'elemento DD1.4. Nel punto B, la tensione aumenterà, poiché il diodo VD2 è chiuso ad alto livello dall'uscita dell'elemento DD1.3. La corrente attraverso il resistore R2 caricherà il condensatore C2 a 1,1...1,4 V in un tempo che dipende dalla sua capacità, dalla resistenza del resistore R2 e dal valore della tensione di controllo. All'aumentare dell'Uynp, la velocità di carica del condensatore aumenta e si carica allo stesso livello in meno tempo.

Non appena la tensione nel punto B raggiunge la soglia di commutazione dell'elemento DD1.2, la sua uscita verrà impostata sul livello 0, che commuterà il trigger RS. Ora l'uscita diretta avrà un livello pari a 0 e l'uscita inversa avrà un livello pari a 1. Ciò porterà ad una rapida scarica del condensatore C2 e ad una diminuzione della tensione, e il condensatore C1 inizierà a caricarsi. Di conseguenza, il grilletto cambierà nuovamente e l'intero ciclo si ripeterà.

Un aumento della tensione di comando (periodo di tempo t1...t2, Fig. 2) porta ad un aumento della corrente di carica dei condensatori e ad una diminuzione del periodo di oscillazione. Ecco come viene controllata la frequenza di oscillazione del generatore. La corrente di ingresso risultante degli elementi TTL viene aggiunta alla corrente della sorgente di tensione di controllo, il che consente di espandere i limiti del segnale di controllo, poiché con un'elevata resistenza dei resistori R1 e R2, la generazione può essere mantenuta anche a Uynp = 0. Tuttavia, questa corrente è caratterizzata da instabilità della temperatura, che influisce sulla stabilità della frequenza di generazione. In una certa misura, la stabilità della temperatura del generatore può essere aumentata utilizzando i condensatori C1 e C2 con TKE positivo, che compenserà l'aumento della corrente di ingresso dispersa incontrollata degli elementi DD1.1 e DD1.2 con variazioni di temperatura.

Il periodo di oscillazione dipende non solo dalla resistenza dei resistori R1 e R2 e dalla capacità dei condensatori C1 e C2, ma anche da molti altri fattori, quindi è difficile una stima accurata del periodo. Se trascuriamo i ritardi temporali dei segnali negli elementi DD1.1-DD1.4 e prendiamo il valore della loro tensione logica 0, così come la tensione di soglia dei diodi VD1 e VD2 uguale a zero, quindi il funzionamento del generatore può essere descritto dall'espressione: T0=2t0=2RC*ln((IеR +Uupr)/(IеR+Uupr-Usp)), ottenuta in base alla soluzione dell'equazione differenziale:

dUc/dt = Ie/C + (Uupr-Us)/(RC),

dove R e C sono i valori nominali dei circuiti di temporizzazione; Uc - tensione sul condensatore C; Usp - valore massimo (di soglia) della tensione Uc; Uynp - tensione di controllo; Cioè è il valore medio della corrente dispersa in ingresso dell'elemento TTL; t0 - durata dell'impulso; T0 è il periodo di oscillazione. I calcoli mostrano che la prima di queste formule concorda in modo molto accurato con i dati sperimentali a Uynp>=Usp, e sono stati scelti i valori medi: Ie=1,4 mA; Usp = 1,2 V. Inoltre, sulla base dell'analisi della stessa equazione differenziale, possiamo giungere alla conclusione che

(IеR+Ucontrol)/(IеR+Ucontrol-Usp)>0,

cioè, se IеR/(IеR-Usp)>0, allora il dispositivo è operativo a Uynp≥0; Questa conclusione è confermata dalla prova sperimentale del dispositivo. Tuttavia, la massima stabilità e precisione del funzionamento VCO si possono ottenere con Ucontrol ≥ Usp = 1,2...1,4 V, ovvero nell'intervallo di frequenza 0,7...4 MHz.

Un pratico circuito generatore di toni per EMI o EMC polifonici è mostrato in Fig. 3. Limiti di frequenza operativa (con Ucontrol ≥ 0,55...8 V) - 0,3...4,8 MHz. La non linearità della caratteristica di controllo (a una frequenza compresa tra 0,3 e 4 MHz) non supera il 5%.

Riso. 3 (clicca per ingrandire)

L'ingresso 1 riceve un segnale dal generatore di inviluppo per controllare automaticamente lo scorrimento della frequenza audio. Con una leggera profondità di modulazione (5...30% del tono), si ottiene un'imitazione dei toni del suono di un basso, così come di altri strumenti a pizzico e a percussione, in cui l'altezza dell'intonazione dei suoni a il momento della loro estrazione si discosta leggermente dalla norma (di solito aumenta bruscamente durante l'attacco del suono e poi diminuisce rapidamente al suo valore normale).

L'ingresso 2 è alimentato con una tensione di controllo costante da un controller glissando manuale o a pedale. Questo ingresso viene utilizzato per regolare o modificare (trasporre) la tonalità entro due ottave, nonché per scorrere lungo l'altezza di accordi o suoni tonali che imitano, ad esempio, il timbro di un clarinetto, trombone o voce.

L'ingresso 3 viene fornito con un segnale sinusoidale, triangolare o a dente di sega dal generatore di vibrato. Il resistore variabile R4 regola il livello del vibrato entro 0...+-0,5 toni, nonché il livello della deviazione di frequenza fino a +-1 ottava o più quando l'interruttore SA1 è chiuso. Con un'elevata frequenza di modulazione (5...11 Hz) e una profondità di +-0,5...1,5 ottave, i suoni tonali perdono le loro qualità musicali e acquisiscono il carattere di un segnale di rumore, che ricorda un rombo sordo o un fruscio di pale del ventilatore. A bassa frequenza (0,1...1 Hz) e alla stessa profondità si ottiene un effetto molto colorato ed espressivo, simile al suono “fluttuante” di un ukulele.

Il segnale proveniente dall'uscita del generatore di toni deve essere alimentato all'ingresso di un condizionatore di segnale digitale di scala musicale di temperamento equabile.

Un sommatore attivo di segnali di controllo è assemblato sull'amplificatore operazionale DA1. Il segnale dall'uscita del sommatore viene fornito all'ingresso del VCO, che è realizzato utilizzando gli elementi logici DD1.1-DD1.4. Oltre al VCO, il dispositivo contiene un oscillatore al quarzo esemplare assemblato sugli elementi DD2.1, DD2.2, nonché un circuito di divisori di frequenza a due ottave sui trigger del microcircuito DD3. cronometrato da questo generatore. Il generatore e i trigger generano tre segnali campione con una frequenza di 500 kHz, 1 e 2 MHz. Questi tre segnali e il segnale proveniente dall'uscita VCO vengono inviati all'ingresso di interruttori elettronici montati sugli elementi a collettore aperto DD4.1-DD4.4.

Questi interruttori, controllati dagli interruttori SA2-SA5, hanno un carico comune: il resistore R13. I circuiti di uscita degli elementi formano un dispositivo con funzione logica OR. Quando uno degli interruttori trasmette il segnale di clock all'uscita, gli altri vengono chiusi in basso dagli interruttori. Il livello alto per l'alimentazione agli ingressi R dei flip-flop D DD3.1 e DD3.2 e ai contatti degli interruttori SA2-SA5 viene rimosso dall'uscita dell'elemento DD2.4.

Un oscillatore al quarzo con divisori di frequenza svolge un ruolo ausiliario e serve principalmente per la regolazione operativa del VCO o “guida” lo strumento in modalità “Organo”, con gli interruttori SA3, SA4, SA5 (“4'”, “8'”, “16'” ) consentono di spostare l'accordatura EMR, rispettivamente, dal registro più basso di una e due ottave verso l'alto. In questo caso, ovviamente, non è possibile alcuna regolazione o cambiamento dell'altezza dei suoni.

Gli svantaggi del generatore includono la stabilità della temperatura relativamente bassa, che in questo caso non è di grande importanza [2], e una significativa non linearità della caratteristica di controllo del VCO ai bordi della gamma, specialmente nelle frequenze più basse della gamma operativa del generatore.

Nella fig. La Figura 4 mostra la dipendenza misurata sperimentalmente della frequenza di generazione dalla tensione di controllo: 1 - per il generatore secondo il circuito di Fig. 1, 2 -fig. 3.

Fig. 4

Il dispositivo è assemblato su un circuito stampato realizzato in laminato di fibra di vetro di spessore 1,5 mm.

I chip della serie K155 possono essere sostituiti con quelli simili delle serie K130 e K133; K553UD1A - a K553UD1V, K553UD2, K153UD1A, K153UD1V, K153UD2. Invece di D9B, puoi utilizzare diodi di questa serie con qualsiasi indice di lettere, nonché D2V, D18, D311, GD511A. È meglio scegliere, ad esempio, i condensatori C4 e C5 con TKE positivo. KT-P210. KPM-P120, KPM-P33, KS-P33, KM-P33, K10-17-P33, K21U-2-P210, K21U-3-P33. Condensatori C7, C10, C11 - K50-6.

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata ad un'accurata schermatura del dispositivo. I conduttori di uscita devono essere attorcigliati in un cavo con passo 10..30 mm.

Un generatore di suoni installato correttamente non richiede regolazioni e inizia a funzionare immediatamente dopo aver collegato l'alimentazione. La tensione di controllo all'ingresso del VCO non deve superare 8...8,2 V. La stabilità della frequenza del generatore è influenzata negativamente dalle variazioni della tensione di alimentazione a 5 V, quindi deve essere alimentato da una sorgente con un elevato coefficiente di stabilizzazione.

Letteratura

1. V. Bespalov. Divisore di frequenza per EMR polifonico. - Radio, 1980, n. 9.
2. LA. Kuznetsov. Fondamenti di teoria, progettazione, produzione e riparazione di EMR. - M.: Industria leggera e alimentare. 1981.

Autore: I.Baskov, villaggio di Poloska, regione di Kalinin

Aggiunta

Un semplice generatore controllato in tensione, descritto nell'articolo di I. Baskov “Generatore di toni per EMR” (Radio, 1987, n. 5, p. 48-50), se ripetuto, si è rivelato presentare svantaggi significativi: significativa non linearità di le caratteristiche di controllo, fluttuazioni di dipendenza ad alta frequenza dalla tensione di alimentazione del microcircuito e dalla temperatura ambiente. Lo svantaggio principale è che il generatore è scarsamente eccitato. Ciò è dovuto al fatto che quando l'alimentazione è accesa, agli ingressi degli elementi DD1.1 e DD1.2 può apparire contemporaneamente un livello di alta tensione (vedere Fig. 1 dell'articolo citato) e un livello di bassa tensione può appaiono alle loro uscite. La tensione di basso livello agli ingressi del trigger RS, assemblata sugli elementi DD1.3 e DD1.4, imposta e mantiene il trigger in uno stato tale quando le sue uscite dirette (pin 6) e inverse (pin 8) hanno un livello alto , in cui il generatore non si eccita.

Questo inconveniente può essere eliminato includendo gli elementi DD1.1 e DD1.2 anche secondo il circuito di trigger RS. Allora non è possibile stabilire contemporaneamente una tensione di alto livello agli ingressi di questi elementi e il generatore viene facilmente eccitato.

Lo schema elettrico del generatore con le migliori caratteristiche è mostrato in Fig. 1, a. Gli elementi DD1.1 e DD1.2, attivati ​​da un trigger RS, insieme ai condensatori C1 e C2, sono generatori di tensione lineare con feedback capacitivo. Grazie al feedback attraverso i condensatori C1 e C2, la caratteristica di controllo è lineare su tutta la gamma delle oscillazioni generate. Il feedback riduce anche la dipendenza della frequenza dalla tensione del microcircuito e dalla temperatura ambiente.

Fig. 1

I diagrammi temporali che illustrano il funzionamento di tale generatore sono mostrati in Fig. 1, b. Dopo aver acceso l'alimentazione, il trigger RS ​​sugli elementi DD1.3 e DD1.4 verrà impostato arbitrariamente su uno degli stati stabili. Supponiamo, ad esempio, che alla sua uscita diretta venga stabilito un segnale di livello alto e alla sua uscita inversa un segnale di livello basso. Di conseguenza, solo il condensatore C2 ha l'opportunità di caricarsi e all'uscita dell'elemento DD1.2 (Uv in Fig. 1, b) si forma una tensione linearmente decrescente. Quando la tensione nel punto B del generatore raggiunge la soglia di commutazione dell'elemento DD1.4, il trigger RS ​​passerà ad un altro stato stabile. Ora la sua uscita diretta avrà un segnale di basso livello e la sua uscita inversa avrà un segnale di alto livello e il condensatore C2 verrà rapidamente scaricato attraverso il diodo VD2 e l'elemento DD1.3.

Il condensatore C1 viene caricato allo stesso modo. Di conseguenza, il trigger RS ​​tornerà al suo stato originale e l'intero ciclo si ripeterà.

Una variazione della tensione di controllo porta ad una variazione della corrente di carica dei condensatori del generatore e del periodo delle sue oscillazioni. Ecco come viene controllata la frequenza di oscillazione del generatore. Quando la tensione di controllo cambia da 0 a 8 V (R1 = R2 = 2 kOhm; C1 = C2 = 150 pF), la frequenza di oscillazione sarà compresa tra 0,25...4 MHz.

Se, invece della tensione di controllo Ucontrol, la tensione di alimentazione del microcircuito viene applicata ai resistori R1 e R2, si otterrà un generatore in cui si formano impulsi rettangolari sulle uscite dirette e inverse e sulle uscite degli elementi DD1.1. 1.2 e DD1 - una tensione che varia linearmente con un basso coefficiente di non linearità ( UA e UB in Fig. 1, b). La dipendenza minima della frequenza dalla tensione di alimentazione del microcircuito sarà ottenuta se la resistenza dei resistori R2 e R2 è di circa 5 kOhm. Quando la tensione di alimentazione cambia del +-0,1%, la frequenza cambia del +-0,05%. L'instabilità della temperatura è di circa XNUMX%/°C.

Il metodo proposto per controllare la frequenza (periodo) delle oscillazioni del generatore può essere utilizzato per regolare la durata degli impulsi. Nella fig. 2, e viene mostrato uno schema di un multivibratore in attesa, la cui durata degli impulsi di uscita è regolata modificando la tensione di controllo Ucontrol. Il dispositivo funziona come segue. Nello stato iniziale, l'uscita diretta del flip-flop RS ha un livello di tensione basso e l'uscita inversa ha un livello di tensione alto. Gli impulsi di trigger, che sono segnali di basso livello, commutano il flip-flop RS in uno stato singolo stabile. Il condensatore C1 si sta caricando. All'uscita dell'elemento DD1.1 si forma una tensione linearmente decrescente. Quando raggiunge la soglia di commutazione dell'elemento DD1.3, il flip-flop RS assume il suo stato originale.

Fig. 2

Una caratteristica distintiva di questo multivibratore è la capacità di generare impulsi la cui durata è maggiore del periodo degli impulsi di ingresso (t2 - t3 in Fig. 2b). La durata degli impulsi di uscita dipende dalla resistenza del resistore R1, dalla capacità del condensatore C1 e dal valore della tensione di controllo. Quando la tensione di controllo cambia da 0 a 8 V (R1 = 2 kOhm; C1 = 330 pF), la durata degli impulsi di uscita cambia entro 5...0,2 μs.

Il generatore e il multivibratore qui descritti possono trovare applicazione in convertitori di tensione, strumenti di misura, EMI e molti altri dispositivi radio.

Autore: A.Ignatenko, Ekaterinburg

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