Тональный генератор для ЭМИ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Музыканту

 Комментарии к статье

Многоголосные ЭМИ с одним тональным генератором уже зарекомендовали себя как надежные 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.

К особенностям генератора следует отнести высокую рабочую частоту. Использование цифровой микросхемы позволило реализовать сравнительно простой и дешевый 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 счетчиков с различными интервальными коэффициентами пересчета, необходима тактовая (ведущая) частота в пределах 1...4 МГц. Поэтому характеристики генератора должны быть такими, чтобы обеспечить необходимую линейность в этих частотных пределах.

Рис. 1

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.

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 определенности, 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 потечет 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 емкости, сопротивления резистора R2 и значения управляющего напряжения. При увеличении Uynp 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 приведет к быстрой разрядке конденсатора С2 и уменьшению напряжения, а конденсатор С1 начнет заряжаться. В результате триггер снова переключится и весь цикл повторится.

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 Uynp=0. Однако этому току свойственна температурная нестабильность, что сказывается на стабильности частоты генерации. В какой-то мере повысить температурную стабильность генератора можно путем 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 емкости 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((IэR+Uупр)/(IэR+Uупр-Uсп)), полученным на основе решения дифференциального уравнения:

dUc/dt = Iэ/C + (Uупр-Uс)/(RC),

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

(IэR+Uупр)/(IэR+Uупр-Uсп)>0,

т. е., если IэR/(IэR-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 Uупр ≥ 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 (нажмите для увеличения)

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.

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

Рис. 4

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.

Литература

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

Автор: И.Басков, д.Полоска Калининской обл.

Дополнение

Простой, управляемый напряжением генератор, описанный в статье И.Баскова "Тональный генератор для ЭМИ" ("Радио", 1987, № 5, с.48-50), при повторении оказался с существенными недостатками: значительная нелинейность характеристики управления, большая зависимость частоты колебаний от напряжения питания микросхемы и от температуры окружающей среды. Главный же недостаток - генератор плохо возбуждается. Происходит это из-за того, что при включении питания на входах элементов DD1.1 и DD1.2 (см. рис. 1 названной статьи) может одновременно возникать напряжение высокого уровня, а на их выходах - низкого. Напряжение низкого уровня на входах RS -триггера, собранного на элементах DD1.3 и DD1.4, устанавливает и удерживает триггер в таком состоянии, когда на его прямом (вывод 6) и инверсном (вывод 8) выходах высокий уровень, при котором генератор не возбуждается.

Устранить этот недостаток можно включением элементов DD1.1 и DD1.2 также по схеме RS-триггера. Тогда на входах этих элементов не может одновременно установиться напряжение высокого уровня и генератор легко возбуждается.

Схема генератора, обладающего лучшими характеристиками, приведена на рис. 1, а. Элементы DD1.1 и DD1.2, включенные RS-триггером, совместно с конденсаторами С1 и С2 представляют собой генераторы линейно изменяющегося напряжения с емкостной обратной связью. Благодаря обратной связи через конденсаторы С1 и С2 характеристика управления линейна во всем диапазоне генерируемых колебаний. Обратная связь уменьшает и зависимость частоты от напряжения литания микросхемы и от температуры окружающей среды.

Рис. 1

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу такого генератора, показаны на рис. 1, б. После включения питания RS-триггер на элементах DD1.3 и DD1.4 установится произвольно в одно из устойчивых состояний. Предположим, например, что на его прямом выходе установился сигнал высокого уровня, а на инверсном - низкого. Следовательно, возможность заряжаться получает только конденсатор С2 и на выходе элемента DD1.2 формируется линейно уменьшающееся напряжение (Uв на рис. 1, б). Когда напряжение в точке В генератора достигнет порога переключения элемента DD1.4, RS-триггер переключится в другое устойчивое состояние. Теперь на его прямом выходе будет сигнал низкого уровня, а на инверсном - высокого, и конденсатор С2 быстро разряжается через диод VD2 и элемент DD1.3.

Аналогично происходит зарядка конденсатора С1. В результате RS-триггер переключится в исходное состояние и весь цикл повторится.

Изменение управляющего напряжения приводит к изменению зарядного тока конденсаторов генератора и периода его колебаний. Так происходит управление частотой колебаний генератора. При изменении управляющего напряжения от 0 до 8 В (R1 = R2 = 2 кОм; C1 = С2 = 150 пФ) частота колебаний будет в пределах 0,25...4 МГц.

Если вместо управляющего напряжения Uупр на резисторы R1 и R2 подать напряжение питания микросхемы, то получится генератор, у которого на прямом и инверсном выходах формируются прямоугольные импульсы, а на выходах элементов DD1.1 и DD1.2 - линейно изменяющееся напряжение с малым коэффициентом нелинейности (UA и UB на рис. 1, б). Минимальная зависимость частоты от напряжения питания микросхемы получится, если сопротивление резисторов R1 и R2 будет около 2 кОм. При изменении напряжения питания на +-5% частота изменяется на +-0,1%. Температурная нестабильность - около 0,05%/°С.

Предлагаемый способ управления частотой (периодом) колебаний генератора можно использовать для регулирования длительности импульсов. На рис. 2, а приведена схема ждущего мультивибратора, длительность выходных импульсов которого регулируют изменением управляющего напряжения Uупр. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии на прямом выходе RS-триггера напряжение низкого уровня, а на инверсном - высокого. Импульсы запуска, являющиеся сигналами низкого уровня, переключают RS-триггер в устойчивое единичное состояние. Конденсатор С1 заряжается. На выходе элемента DD1.1 формируется линейно уменьшающееся напряжение. Когда же оно достигает порога переключения элемента DD1.3, RS-триггер принимает исходное состояние.

Рис. 2

Отличительная особенность данного мультивибратора - возможность формирования импульсов, длительность которых больше периода входных импульсов (t2 - t3 на рис. 2,б). Длительность выходных импульсов зависит от сопротивления резистора R1, емкости конденсатора С1 и значения управляющего напряжения. При изменении управляющего напряжения от 0 до 8 В (R1 = 2 кОм; C1 = 330 пФ) длительность выходных импульсов изменяется в пределах 5...0,2мкс.

Описанные здесь генератор и мультивибратор могут найти применение в преобразователях напряжения, измерительных приборах, ЭМИ и многих других радиотехнических устройствах.

Автор: А.Игнатенко, г.Екатеринбург

Смотрите другие статьи раздела Музыканту.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Квантовые виртуальные машины 18.08.2025 Современные квантовые компьютеры обещают революцию в вычислительной технике, однако их дороговизна и архитектурные ограничения зачастую препятствуют массовому и эффективному использованию. В частности, большинство существующих систем рассчитаны на выполнение задач одного пользователя, что значительно снижает их общую производительность и доступность. Группа исследователей из Колумбийского университета США представила инновационную технологию, которая способна изменить этот статус-кво, открывая возможности одновременного использования квантового компьютера несколькими пользователями. Разработанная ими система под названием HyperQ представляет собой виртуализацию квантовых вычислений - концепцию, близкую к облачным технологиям в классических вычислениях. HyperQ позволяет разделить физическое квантовое устройство на несколько изолированных виртуальных машин, между которыми распределяются вычислительные задачи. Такой подход обеспечивает балансировку нагрузки и одновременную работу нескольких программ на одном и том же квантовом процессоре. По словам профессора Джейсона Ние из Колумбийского инженерного университета, HyperQ приносит в квантовые вычисления принципы облачной виртуализации, позволяя запускать несколько приложений одновременно без задержек и очередей, что ранее было невозможно. Это серьезный шаг к более широкому внедрению и эффективному использованию квантовых технологий. При этом стоит учитывать, что квантовые компьютеры остаются дорогими и сложными в эксплуатации. По данным Quantum Zeitgeist, разработка малогабаритного квантового процессора требует инвестиций от 10 до 15 миллионов долларов, не считая ежегодных расходов на обслуживание и программное обеспечение. Текущие системы обычно работают только в однопользовательском режиме из-за взаимосвязанности кубитов, что осложняет параллельную обработку. HyperQ решает эту проблему, изолируя виртуальные машины друг от друга с помощью так называемых "буферных" кубитов - неактивных элементов, предотвращающих перекрестные помехи и шумы, которые могут распространяться по квантовой системе. Такой метод позволяет безопасно и эффективно разделять ресурсы, обеспечивая качественное исполнение множества квантовых задач одновременно. Ведущий автор проекта Руньчжоу Тао подчеркивает, что их подход не требует заранее известных программ или специализированных компиляторов, что делает систему гораздо гибче и удобнее для реального использования. HyperQ динамически взаимодействует с существующими инструментами квантового программирования, оптимизируя распределение кубитов и времени работы для каждого запроса. В отличие от предыдущих решений, требовавших построения очереди и предварительной компиляции задач, HyperQ позволяет независимо компилировать приложения для виртуальных машин разного размера, упрощая работу пользователей и увеличивая производительность. Тестирование системы на квантовом компьютере IBM Brisbane с 127 кубитами показало впечатляющие результаты - время ожидания выполнения задач сократилось в 40 раз, а число одновременно работающих программ увеличилось в десять раз.

Другие интересные новости:

▪ Научное объяснение эффекта плацебо

▪ Холодная компьютерная память

▪ Freescale начала продажи микросхем памяти MRAM

▪ Мытье посуды снижает риск инсульта

▪ Серотонин не влияет на развитие депрессии

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Светодиоды. Подборка статей

▪ статья Благородный жулик. Крылатое выражение

▪ статья Почему люди коллекционируют почтовые марки? Подробный ответ

▪ статья Клейтония пронзеннолистная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Сборка кубика Рубика. Справочник

▪ статья Особенности схемотехники 16-битных приставок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026